Un team internazionale di ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS) di Stoccarda, Germania, della Johannes Kepler University (JKU) di Linz, Austria, e dell’Università del Colorado (CU Boulder), Boulder, Gli Stati Uniti hanno portato la sostenibilità in prima linea nella robotica morbida.
Insieme, hanno sviluppato un muscolo artificiale completamente biodegradabile e ad alte prestazioni fatto di gelatina, olio e bioplastica. Gli scienziati hanno mostrato il potenziale di questa tecnologia innovativa utilizzandola per animare una pinza robotica, particolarmente vantaggiosa per applicazioni monouso come la raccolta dei rifiuti. Questi muscoli artificiali possono essere smaltiti nei bidoni del compost municipali e biodegradarsi completamente entro sei mesi in condizioni monitorate.
primo autore dell’articolo, sottolinea l’importanza dei materiali sostenibili nella robotica morbida:
“Le parti biodegradabili potrebbero offrire una soluzione sostenibile soprattutto per applicazioni monouso, come per operazioni mediche, missioni di ricerca e salvataggio e manipolazione di sostanze pericolose. Invece di accumularsi nelle discariche alla fine della vita del prodotto, i robot del futuro potrebbero diventare compost per la futura crescita delle piante.”
Sviluppo di muscoli artificiali HASEL biodegradabili
I ricercatori hanno creato un muscolo artificiale azionato elettricamente chiamato HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). Gli HASEL sono sacchetti di plastica riempiti d’olio parzialmente ricoperti da una coppia di conduttori elettrici chiamati elettrodi. Quando viene applicata un’alta tensione attraverso la coppia di elettrodi, si accumulano cariche opposte, generando una forza che spinge l’olio verso una regione della sacca priva di elettrodi. Questa migrazione dell’olio provoca la contrazione della sacca, simile a un vero muscolo. Affinché gli HASEL si deformino, i materiali utilizzati per il sacchetto di plastica e l’olio devono essere isolanti elettrici in grado di sostenere le elevate sollecitazioni elettriche generate dagli elettrodi caricati.
Una sfida chiave è stata lo sviluppo di un materiale conduttivo, morbido e completamente elettrodo biodegradabile. I ricercatori della JKU hanno creato una ricetta utilizzando una miscela di gelatina biopolimerica e sali che potrebbero essere fusi direttamente sugli attuatori HASEL.
David Preninger, co-primo autore di questo progetto e scienziato presso la Soft Matter Physics Division di JKU, spiega:
“Per noi era importante realizzare elettrodi adatti a queste applicazioni ad alte prestazioni, ma con componenti prontamente disponibili e una strategia di fabbricazione accessibile.”
Fonte immagine: Max Plank Institute
Prestazioni elettriche e plastica biodegradabile
L’ostacolo successivo era identificare le plastiche biodegradabili appropriate. Gli ingegneri in genere danno la priorità a fattori come il tasso di degradazione e la resistenza meccanica rispetto all’isolamento elettrico, un requisito per gli HASEL che funzionano a diverse migliaia di volt. Tuttavia, alcune bioplastiche hanno dimostrato una buona compatibilità dei materiali con gli elettrodi di gelatina e un sufficiente isolamento elettrico.
Una specifica combinazione di materiali ha consentito agli HASEL di resistere a 100.000 cicli di attivazione a diverse migliaia di volt senza guasti elettrici o perdita di prestazioni. Questi muscoli artificiali biodegradabili sono elettromeccanicamente competitivi con le loro controparti non biodegradabili, promuovendo la sostenibilità nella tecnologia dei muscoli artificiali.
Ellen Rumley approfondisce l’impatto della loro ricerca:
“Mostrando l’eccezionale prestazioni di questo nuovo sistema di materiali, stiamo dando un incentivo per la comunità della robotica a considerare i materiali biodegradabili come un’opzione praticabile per la costruzione di robot. Il fatto che abbiamo ottenuto risultati così grandi con la bioplastica, si spera, spinga anche altri scienziati dei materiali a creare nuovi materiali con in mente prestazioni elettriche ottimizzate.”
Prospettive e applicazioni future
Lo sviluppo di muscoli artificiali biodegradabili apre nuove porte per il futuro della robotica. Incorporando materiali sostenibili nella tecnologia robotica, gli scienziati possono ridurre l’impatto ambientale dei robot, in particolare nelle applicazioni in cui prevalgono i dispositivi monouso. Il successo di questa ricerca apre la strada all’esplorazione di componenti più biodegradabili e alla progettazione di robot completamente ecologici.
Le potenziali applicazioni dei robot morbidi biodegradabili vanno oltre la raccolta dei rifiuti e le operazioni mediche. Questi robot potrebbero essere utilizzati nel monitoraggio ambientale, nell’agricoltura e persino nell’elettronica di consumo, riducendo il carico sulle discariche e contribuendo a un’economia circolare.
Mentre la ricerca continua, il team prevede di perfezionare ulteriormente i materiali e i processi utilizzato nella creazione di muscoli artificiali biodegradabili. Collaborando con altri esperti di scienza dei materiali e robotica, mirano a sviluppare nuove tecnologie che faranno avanzare il campo della robotica morbida sostenibile. i ricercatori sperano di incoraggiare l’adozione di materiali biodegradabili in vari settori, promuovendo così un approccio più eco-consapevole allo sviluppo tecnologico.
Il lavoro pionieristico di questo team di ricerca internazionale rappresenta un passo fondamentale verso un futuro più sostenibile per robotica morbida. Dimostrando la fattibilità e le prestazioni dei muscoli artificiali biodegradabili, stanno aprendo la strada a ulteriori progressi nella tecnologia verde e ispirando la comunità della robotica a prendere in considerazione alternative sostenibili per le loro creazioni.