L’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, in collaborazione con la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, ha sviluppato una nuova tecnologia che simula la contrazione muscolare tramite degli attuatori fluidici stampati in 3D. La prima applicazione di questa tecnologia è stata presentata a fine luglio integrando ben 18 di questi attuatori in una mano robotica.
Muscoli in robotica
Una delle più grandi sfide per la robotica moderna è quella di cercare di replicare, oltre che il movimento, il comportamento della muscolatura. Una singola fibra muscolare, infatti, è in grado di contrarsi e distendersi, mentre la combinazione di diverse fibre permette di ottenere deformazioni articolate e complesse.
Ad oggi si stanno cercando diverse soluzioni per replicare la realtà della motilità muscolare; come ad esempio, i muscoli artificiali biologici, i polimeri a memoria di forma e gli attuatori fluidici, che verranno approfonditi nei paragrafi seguenti.
Muscoli artificiali biologici
Una ricerca portata avanti da un’equipe di scienziati dell’esercito americano prevede di riprodurre in laboratorio dei tessuti che replicano le caratteristiche meccaniche e biologiche dei muscoli. L’obiettivo è quello di equipaggiare dei robot meccanici con tessuti biologici per renderli più efficienti. I tessuti intelligenti utilizzati, infatti, avrebbero la capacità di trattenere e metabolizzare sostanze nutritive proprio come accade agli esseri viventi. Queste macchine, inoltre, potrebbero avere una grande rosa di impieghi adattandosi a molteplici contesti e necessità ambientali.
Il primo robot sul quale si vorrebbe applicare questo tipo di tecnologia è LLAMA, un robot quadrupede ispirato al lama e sviluppato dalla NASA in collaborazione con la Duke University di Durnham (USA).
Polimeri a memoria di forma
I materiali a memoria di forma (SMA – smart memory alloys) sono una classe di polimeri che si sta diffondendo in moltissime applicazioni tecnologiche grazie alla loro peculiarità di avere due distinte fasi stabili allo stato solido. Questi materiali, grazie a semplici trattamenti termici, possono essere riportati alla forma desiderata anche a seguito di grandi deformazioni.
Un gruppo di ricerca della Stanford University, in California, ha sviluppato un prototipo di muscolo robotico che sfrutta proprio gli SMA.
Utilizzare questo tipo di materiale consente di sviluppare dei sistemi in grado di ripristinare le configurazioni desiderate necessitando di una quantità irrisoria di energia. Il muscolo nella sua forma contratta non è stato deformato meccanicamente. A seguito della deformazione si può portare allo stato rilassato e poi, grazie ad una variazione di temperatura, può essere riportato alla configurazione iniziale (Figura 1).
Attuatori fluidici
Un altro sistema individuato per simulare i muscoli sono gli attuatori fluidici. Si tratta di motori che consentono di generare movimento. Fanno parte di questa categoria tutti gli attuatori che, per funzionare, sfruttano liquidi o gas.
Un esempio di applicazione di questa tecnologia sono i muscoli di McKibben, sviluppati a metà del ‘900 e in grado di allungarsi e contrarsi proprio come dei normali muscoli, ma pesanti e difficilmente controllabili.
La stessa tecnologia è stata anche applicata ai nuovi attuatori sviluppati dall’IIT in collaborazione con la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa.
GRACE: primi risultati
GRACE (GeometRy-based Actuators able to Contract and Elongate) è un innovativo attuatore pneumatico in grado di dilatarsi ed accorciarsi grazie al design che ne determina una particolare forma geometrica (Figura 2).
Il sistema è dotato di particolari pieghe che ne consentono il movimento. E’ composto da un corpo unico, stampabile in 3D e realizzabile con diversi materiali ed in diverse dimensioni, di modo che sia in grado di soddisfare varie esigenze di movimento.
Il suo design garantisce alla struttura una resistenza ai carichi interessante: GRACE può arrivare a sostenere oltre 1000 volte il suo peso.
Più attuatori possono essere assemblati, così da ottenere configurazioni articolate che riescano ad eseguire diversi movimenti. Una prima sperimentazione portata avanti ne ha visti 18, prodotti in resina morbida in diverse dimensioni. Questi sono riusciti ad emulare la movimentazione di una mano umana con una pressione di qualche centinaio di bar.
Questa tipologia di attuatori, oltre ad essere innovativa nel design, è anche all’avanguardia sotto diversi punti di vista. Essendo prodotta tramite stampa 3D, risulta essere una tecnologia a basso costo e facilmente riproducibile. Inoltre, le caratteristiche fisiche e meccaniche dei diversi attuatori possono cambiare notevolmente a seconda del materiale che si utilizza nella stampa.
In particolare, 14 attuatori lunghi 20 mm sono stati utilizzati nel palmo della mano, mentre altri 4 lunghi 30 mm son stati utilizzati per il polso. Ogni dito è in grado di muoversi indipendentemente, grazie ad un tendine controllato da tre (o due nel caso del pollice) attuatori GRACE posti in serie.
La mano prodotta ha un peso di circa 100 grammi e ha dimensioni perfettamente comparabili a quelle di una mano umana. Infatti, ha una lunghezza di 180 mm, una larghezza di 160 mm ed uno spessore di 50 mm. E’ in grado di torcere il palmo, ruotare il polso e, come detto, piegare le dita in modo indipendente.
Science X: Phys.org, Medical Xpress, Tech Xplore
Sviluppi futuri
Questa nuova tecnologia può consentire un avvicinamento non indifferente a movimenti simili a quelli presenti nel mondo animale, così come può consentire lo sviluppo di robot in grado di eseguire prese di precisione e ad elevata accuratezza. Le limitazioni, rispetto alle dimensioni degli attuatori singoli o di un dispositivo che comprenda più attuatori integrati assieme, potrebbe risiedere nelle dimensioni massime consentite dalla stampante in uso.
I risultati ottenuti in questa prima fase di sperimentazione verranno quindi riportati nell’ambito della ricerca, in particolare rispetto all’ambito del Soft Robotics. Due progetti di ricerca in cui troveranno applicazione questi tipi di tecnologia sono certamente il progetto europeo Proboscis e tutte le ricerche che cercano di sviluppare sistemi robotici simulando la natura.
Fonti e approfondimenti
- IITOpentalk – Muscoli artificiali pneumatici in 3D per i futuri “makers” (also, credits for the cover picture on this web page)
- 3DPrint.com – 3D Printed Robotic Hand Mimics Human Movement
- Ansa – Dall’Italia la prima mano ‘naturale’ stampata in 3D
- GBSapriTalk – GRACE, I MUSCOLI ARTIFICIALI PNEUMATICI STAMPATI IN 3D
- Focus – I robot del futuro avranno muscoli “veri”?
- ACSPublication – High Energy Density Shape Memory Polymers Using Strain-Induced Supramolecular Nanostructures
