La luce visibile diventa movimento: è il futuro della biorobotica?

Nell’ambito della robotica soft il movimento è generalmente prodotto per mezzo di attuatori azionati elettricamente. La complessità e le potenzialità del settore stanno portando la ricerca a esplorare nuove strade, in particolare quella dell’attuazione prodotta dalla luce visibile. In questo contesto, una ricerca guidata da un professore del Politecnico di Torino e pubblicata sulla rivista Nature nello scorso Ottobre 2023, testa un materiale in grado di trasformare l’energia assorbita dalla radiazione luminosa in movimento meccanico.

Attuazione indotta dalla luce: lo scenario attuale

Tra i materiali responsivi a determinati stimoli, ovvero capaci di produrre una particolare risposta quando stimolati da azioni di diversa natura, vi sono quelli fotoresponsivi. Si tratta di materiali di difficile studio, ma estremamente attraenti per la loro proprietà intrinseca di funzionamento “a lungo raggio”. In questa particolare categoria si collocano gli azopolimeri amorfi a catena laterale, in grado di produrre deformazioni direzionali e anisotrope quando colpiti da luce visibile polarizzata linearmente. Spesso si tratta di deformazioni plastiche, e quindi permanenti, che limitano quindi le applicazioni che essi potrebbero ricoprire. La ricerca in questo campo ha identificato tale reversibilità come un passaggio chiave.

Ad oggi i polimeri meglio conosciuti come capaci di produrre attuazione foto-indotta sono gli elastomeri a cristalli liquidi. Si tratta di una classe di materiali che combina le proprietà meccaniche degli elastomeri a quelle ottiche dei cristalli liquidi. Tuttavia la deformazione prodotta è legata alla direzione delle componenti cristalline e quindi è difficile da determinare a priori, a meno di complesse manipolazioni del materiale.

Quando i polimeri foto-responsivi vengono impiegati nell’ambito della robotica soft – anche detta “morbida”, ci sono due aspetti che è necessario controllare: reversibilità e direzione della deformazione (Figura 1).

Se ti interessa approfondire l’argomento “soft robotics”, ne abbiamo parlato nei seguenti articoli:

Un materiale che si deforma “on demand”

In questo lavoro, i ricercatori del Politecnico di Torino e della Norwegian University of Science and Technology hanno impiegato un materiale presentato con il nome azo-SEBS: si tratta di un composito a base di particelle azopolimeriche amorfe, incorporate in una matrice SEBS – elastomero utilizzato negli attuatori azionati elettricamente.

Il materiale è stato studiato adagiandone delle porzioni alte poche decine di micrometri su una lastra di PDMS (un comune silicone) (Figura 2a). Il campione è stato illuminato con luce laser proveniente da un microscopio ottico, in modo da ottenere fasci omogenei che producessero la stessa illuminazione – per geometria e intensità – in tutte le aree del composito irradiate. Per quantificare in maniera esatta queste deformazioni, al campione sono stati applicati dei markers in punti specifici, in modo da misurare allungamenti e contrazioni relative.

Un primo test che applica sequenze di irradiazioni che alternano polarizzazione lineare e circolare, ovvero la componente in direzione orizzontale e circolare del fascio di luce, sembra mostrare che la polarizzazione lineare tende a deformare il materiale lungo l’asse di polarizzazione, mentre quella circolare tende a far ritornare il materiale al suo stato naturale (Figura 2 c, d).

Caratterizzazione del materiale

I ricercatori hanno approfondito lo studio del comportamento del materiale quando sottoposto alla sollecitazione di natura luminosa, con lo scopo di ottenere una relazione che lo descrivesse con buona approssimazione. Infine hanno definito l’equazione rappresentativa delle irradiazioni nel piano di Fourier, per. cercare nel composito una risposta di deformazione elastica sfruttandone le proprietà e la diversa risposta al variare della polarizzazione del fascio.

Un’applicazione dell’attuazione foto-indotta: i robot morbidi

Un’interessante applicazione di questa tecnologia sono i robot morbidi: questi si prestano particolarmente bene nell’industria dell’ingegneria biomedica grazie alla loro capacità di adattarsi più naturalmente all’uomo e alle specie viventi in generale. Le potenzialità degli attuatori soft di produrre movimenti complessi e precisi nelle tre dimensioni, permette a questi di essere impiegati in quelle applicazioni della biorobotica in cui i materiali di comune impiego non risulterebbero particolarmente efficienti, come muscoli robotici e organi artificiali. A questo scenario, va sommata la natura non invasiva della luce stessa rispetto ai tessuti biologici, di conseguenza anche la ricerca in questo campo godrebbe dei benefici della tecnologia.

La Figura 3 mostra come la foto-attuazione sia in grado di far piegare una porzione sottile e circolare di materiale nelle tre direzioni, alternandole nel tempo così da creare una rotazione della membrana stessa. Questo è possibile perché, agendo sulla polarizzazione della luce incidente, la direzione di deformazione varia. Tale deformazione ripristina nel contempo le deformazioni precedenti. Il materiale crea un ginocchio lungo l’asse X, passa dalla posizione di riposo e lo crea lungo l’asse Y, e così via ripetendo nel tempo questo pattern di movimento.

Conclusioni

La ricerca è di carattere innovativo e restano da approfondire diversi aspetti, come il comportamento del materiale in diverse condizioni dell’ambiente circostante – come temperatura o grado di umidità -, o semplicemente al variare della forma del campione. La potenza della tecnologia risiede, però, nella semplicità dei materiali utilizzati: sia il composito che la matrice sono facilmente reperibili in commercio, senza dover introdurre manipolazioni ulteriori per raggiungere lo stato deformato reversibile.

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Fonti e approfontimenti

• Poliflash – I soft robots del futuro si muoveranno grazie alla luce
• Nature Communications – Polarization-driven reversible actuation in a photo-responsive polymer composite