Muscoli della stampante

I muscoli artificiali non servono solo a mettere in moto i robot: Un giorno potrebbero supportare le persone al lavoro o quando camminano, o sostituire i tessuti muscolari feriti. Tuttavia, lo sviluppo di muscoli artificiali che non abbiano nulla da invidiare a quelli reali è una sfida tecnica importante. Per tenere il passo con le loro controparti biologiche, i muscoli artificiali devono essere non solo forti, ma anche elastici e morbidi. Fondamentalmente, i muscoli artificiali sono i cosiddetti attuatori: Componenti che convertono gli impulsi elettrici in movimento. Gli attuatori sono utilizzati ovunque si muova qualcosa premendo un pulsante, sia a casa, sia nel motore di un'auto o in impianti industriali altamente sviluppati. Tuttavia, questi componenti meccanici duri non hanno ancora molto in comune con i muscoli.

Riconciliare le contraddizioni

Un team di ricercatori del Laboratorio Empa per i Polimeri Funzionali sta quindi lavorando su attuatori fatti di materiali morbidi. Ora, per la prima volta, hanno sviluppato un metodo per produrre questi componenti complessi con una stampante 3D. I cosiddetti attuatori elastici dielettrici (DEA) sono costituiti da due diversi materiali a base di silicone: un elettrodo conduttivo e un dielettrico non conduttivo. Questi materiali si incastrano a strati. "È un po' come incastrare le dita", spiega Patrick Danner, ricercatore dell'Empa. Se agli elettrodi viene applicata una tensione elettrica, l'attuatore si contrae come un muscolo. Quando la tensione viene tolta, l'attuatore si rilassa nella sua posizione originale.

Produrre una struttura di questo tipo con la stampa 3D non è banale, come sa Danner. Nonostante le loro proprietà elettriche molto diverse, i due materiali morbidi devono comportarsi in modo molto simile durante il processo di stampa. Non devono mescolarsi, ma devono comunque tenersi insieme bene nell'attuatore finito. I "muscoli" stampati devono essere il più possibile morbidi, in modo che uno stimolo elettrico possa provocare la deformazione richiesta. A ciò si aggiungono i requisiti che tutti i materiali stampabili in 3D devono soddisfare: Devono liquefarsi sotto pressione in modo da poter essere pressati dall'ugello della stampante. Subito dopo, però, devono essere abbastanza viscosi da mantenere la forma stampata. "Queste proprietà sono spesso in conflitto diretto tra loro", spiega Danner. "Se si ottimizza una di esse, le altre tre cambiano, di solito a scapito dell'altra".

Dal guanto al cuore

In collaborazione con i ricercatori del Politecnico di Zurigo, Danner e Dorina Opris, responsabile del gruppo di ricerca "Materiali polimerici funzionali", sono riusciti a conciliare molte di queste proprietà contraddittorie. Due inchiostri speciali, sviluppati all'Empa, sono stati stampati in attuatori morbidi funzionanti utilizzando un ugello sviluppato dai ricercatori dell'ETH Tazio Pleij e Jan Vermant. La collaborazione fa parte del progetto su larga scala "Manufhaptics", che rientra nell'area strategica del settore ETH "Advanced Manufacturing". L'obiettivo del progetto è sviluppare un guanto che renda tangibili i mondi virtuali. I muscoli artificiali sono progettati per simulare la presa di oggetti attraverso la resistenza.

Tuttavia, gli attuatori morbidi hanno molte più applicazioni potenziali. Sono leggeri, silenziosi e, grazie al nuovo processo di stampa 3D, possono essere modellati in qualsiasi forma. Potrebbero sostituire gli attuatori convenzionali nelle automobili, nelle macchine e nella robotica. Se sviluppati ulteriormente, potrebbero essere presi in considerazione anche per applicazioni mediche. Dorina Opris e Patrick Danner ci stanno già lavorando: il loro nuovo processo può essere utilizzato per stampare non solo forme complesse, ma anche lunghe fibre elastiche. "Se le rendiamo un po' più sottili, possiamo avvicinarci al funzionamento delle vere fibre muscolari", afferma Opris. Il ricercatore ritiene che in futuro sarà possibile stampare un intero cuore con queste fibre. Tuttavia, c'è ancora molto da fare prima che questo sogno diventi realtà.