Muscoli artificiali per robot: la fantascienza diventa realtà

Nel mondo della robotica sta emergendo una nuova tendenza: i robot morbidi, ispirati alla biologia umana. Queste macchine, lungi dall’essere semplici assemblaggi di metallo e motori, sono state progettate per essere più flessibili e adattabili, aprendo così la strada a un’interazione completamente diversa con l’ambiente.

Muscoli artificiali ispirati alla biologia. Come le loro controparti naturali, si contraggono in risposta a un impulso elettrico. Questi muscoli artificiali non sono costituiti da cellule e fibre, ma da una sacca piena di liquido (solitamente olio), il cui guscio è parzialmente ricoperto da elettrodi.

Quando questi elettrodi ricevono tensione elettrica, si uniscono e spingono il fluido nel resto della tasca, che si piega ed è quindi in grado di sollevare il peso. Solo una di queste sacche ricorda un corto fascio di fibre muscolari. Molte di queste sacche possono essere collegate per formare un elemento di propulsione completo, chiamato anche motore o semplicemente muscolo artificiale.

Sfida ad alta tensione

L’idea di sviluppare muscoli artificiali non è nuova, ma fino ad ora c’è stato un grosso ostacolo: Motori elettrostatici Funzionano solo a tensioni molto elevate, comprese tra 6.000 e 10.000 volt. Ciò aveva diverse conseguenze: ad esempio, i muscoli dovevano essere collegati a grandi amplificatori ad alto voltaggio; Non funzionavano in acqua. E non era del tutto sicuro per gli esseri umani.

Una nuova soluzione è stata sviluppata da Robert Katzschman, professore di robotica alla…Politecnico federale di ZurigoIn collaborazione con Stephane Daniel Gravert, Elia Farini e altri colleghi. Hanno pubblicato sulla rivista la loro versione di un muscolo artificiale che offre numerosi vantaggi Progresso della scienza.

Semimotori: una grande conquista

Stephane Daniel Gravert, che lavora come assistente scientifico nel laboratorio di Kachman, ha disegnato la copertina della borsa.

I ricercatori chiamano questi nuovi muscoli artificiali “attuatori HALVE”, dove “HALVE” sta per “Amplificato idraulicamente da elettricità a bassa tensione» (Amplificazione idraulica dell'elettricità statica a bassa tensione).

” In altri motori, gli elettrodi sono all'esterno dell'alloggiamento. Nel nostro paese, l'impiallacciatura è composta da diversi strati. Abbiamo preso un materiale fotovoltaico ad alta permettività, capace cioè di immagazzinare grandi quantità di energia elettrica, e lo abbiamo abbinato ad uno strato di elettrodi. Poi l'abbiamo ricoperto con un guscio in polimero che ha ottime proprietà meccaniche e rende la tasca più stabile “, spiega Stefan-Daniel Gravert.

Ciò ha permesso ai ricercatori di ridurre la tensione richiesta, perché l’elevata permettività del materiale ferroelettrico consente di generare grandi forze nonostante la bassa tensione.

I ricercatori non solo hanno sviluppato l'alloggiamento per gli attuatori HALVE, ma hanno anche costruito gli attuatori stessi in laboratorio per l'utilizzo in due robot.

Applicazioni concrete: artigli e pesci

Un esempio di robot è una pinza alta 11 cm con due dita. Ogni dito è azionato da tre tasche trigger HALVE collegate in serie. Fornisce un piccolo alimentatore a batteria da 900 V per il robot.

La batteria e l'alimentatore insieme pesano solo 15 grammi. L'intera clip, compresa l'elettronica di alimentazione e controllo, pesa 45 grammi.

La pinza può afferrare un oggetto di plastica liscia con una forza sufficiente a sostenerne il peso quando l'oggetto viene sollevato in aria con una corda.

” Questo esempio dimostra perfettamente quanto siano piccoli, leggeri ed efficienti gli attuatori HALVE. Ciò significa anche che siamo più vicini al nostro obiettivo di creare sistemi integrati alimentati dai muscoli. “, aggiunge soddisfatto Robert Catchman.

Il secondo corpo è un nuotatore simile a un pesceÈ lungo circa 30 cm e può muoversi agevolmente nell'acqua. E' composto da “Testa» Contiene componenti elettronici eil corpo“Flessibile a cui sono collegati gli attuatori HALVE. Questi motori si muovono alternativamente secondo un ritmo che produce un movimento natatorio. Questo pesce indipendente può passare da uno stato stazionario a una velocità di tre centimetri al secondo in 14 secondi, nell'acqua del rubinetto normale.

Impermeabile e autosigillante

Questo secondo esempio è importante perché dimostra un’altra novità degli attuatori HALVE: poiché gli elettrodi non sono più all’esterno del guscio senza protezione, i muscoli artificiali ora sono impermeabili e possono essere utilizzati anche in liquidi conduttivi.

” Il pesce spiega il vantaggio generale di questi motori: gli elettrodi sono protetti dall'ambiente e, viceversa, l'ambiente è protetto dagli elettrodi. Quindi puoi far funzionare questi motori elettrostatici nell'acqua o toccarlo, ad esempio “, spiega Robert Catchman. La struttura multistrato dei seni presenta un altro vantaggio: i nuovi attuatori sono molto più forti di altri muscoli artificiali.

Idealmente, le borse dovrebbero essere in grado di sopportare molti movimenti e di farlo rapidamente. Ma anche il più piccolo errore di produzione, come un granello di polvere tra gli elettrodi, può portare a un guasto elettrico – una sorta di mini-fulmine.

” Nei modelli precedenti, quando ciò accadeva, l'elettrodo si brucia, creando un foro nell'alloggiamento. Ciò ha permesso al fluido di fuoriuscire e rendere l'attuatore inutilizzabile “, aggiunge Stefan-Daniel Gravert.

Questo problema è risolto negli attuatori HALVE perché il singolo foro si chiude essenzialmente da solo grazie allo strato esterno protettivo in plastica. Di conseguenza, l’enclave generalmente rimane pienamente operativa anche dopo un’interruzione di corrente.

Il futuro dei muscoli artificiali

Entrambi i ricercatori sono chiaramente entusiasti di fare progressi nello sviluppo dei muscoli artificiali, ma rimangono anche realisti.

Come dice Robert Catchman: Ora dobbiamo preparare questa tecnologia per la produzione di massa e non possiamo farlo qui nel laboratorio dell’ETH. Senza svelare troppo posso dire che stiamo già ricevendo manifestazioni di interesse da parte di aziende che vogliono lavorare con noi “.

Ad esempio, i muscoli artificiali potrebbero un giorno essere utilizzati in robot, protesi o nuovi dispositivi indossabili; In altre parole, nelle tecnologie che vengono indossate sul corpo umano.

Gravert SD, Varini E, Kazemipour A, Michelis MY, Buchner T, Hinchet R, Katzschmann RK: Attuatori elettroidraulici a bassa tensione per robot senza vincoli. Science Progress, 5 gennaio 2024, doi: 10.1126/sciadv.adi9319

Didascalia: Muscoli artificiali che operano sott'acqua. (Immagine: schermata dal video di Gravert et al. Science 2024)

[ Rédaction ]