Pionieri della robotica soffice sostenibile: muscoli artificiali biodegradabili per un futuro più verde

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 della University of Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, ha portato la sostenibilità al centro della robotica soffice.

Insieme, hanno sviluppato un muscolo artificiale completamente biodegradabile, ad alte prestazioni, realizzato con gelatina, olio e bioplastiche. Gli scienziati hanno dimostrato il potenziale di questa tecnologia innovativa utilizzandola per animare un gripper robotico, particolarmente benefico per applicazioni a uso singolo come la raccolta dei rifiuti. Questi muscoli artificiali possono essere smaltiti nei contenitori per la compostazione dei rifiuti urbani e biodegradarsi completamente in sei mesi in condizioni controllate.

Ellen Rumley, una scienziata visitatrice da CU Boulder che lavora nel Dipartimento di Materiali Robotici dell’MPI-IS e co-autrice principale del paper, sottolinea l’importanza dei materiali sostenibili nella robotica soffice:

“I componenti biodegradabili potrebbero offrire una soluzione sostenibile, in particolare per applicazioni a uso singolo, come le operazioni mediche, le missioni di ricerca e salvataggio e la manipolazione di sostanze pericolose. Invece di accumularsi nelle discariche alla fine del ciclo di vita del prodotto, i robot del futuro potrebbero diventare compost per la crescita delle piante future.”

Sviluppo di muscoli artificiali biodegradabili HASEL

I ricercatori hanno creato un muscolo artificiale azionato elettricamente chiamato HASEL (Hydraulically Amplified Self-healing Electrostatic Actuators). I HASEL sono sacchetti di plastica pieni di olio parzialmente coperti da una coppia di conduttori elettrici chiamati elettrodi. Quando si applica un alto voltaggio attraverso la coppia di elettrodi, si accumulano cariche opposte, generando una forza che spinge l’olio verso una regione del sacchetto senza elettrodi. Questa migrazione dell’olio comporta la contrazione del sacchetto, simile a un muscolo reale. Perché i HASEL si deformino, i materiali utilizzati per il sacchetto di plastica e l’olio devono essere isolanti elettrici in grado di sostenere gli alti stress elettrici generati dagli elettrodi carichi.

Una sfida chiave è stata lo sviluppo di un elettrodo conduttivo, soffice e completamente biodegradabile. I ricercatori della JKU hanno creato una ricetta utilizzando una miscela di biopolimero gelatina e sali che poteva essere direttamente colata sugli attuatori HASEL.

David Preninger, co-autore principale di questo progetto e scienziato della Divisione di Fisica della Materia Soffice della JKU, spiega:

“È stato importante per noi creare elettrodi adatti a queste applicazioni ad alte prestazioni, ma con componenti facilmente reperibili e una strategia di fabbricazione accessibile.”

Image Source: Max Plank Institute

Prestazioni elettriche e plastici biodegradabili

L’ostacolo successivo è stato l’identificazione di plastici biodegradabili appropriati. Gli ingegneri di solito danno priorità a fattori come la velocità di degradazione e la resistenza meccanica rispetto all’isolamento elettrico, un requisito per i HASEL che operano a diverse migliaia di volt. Tuttavia, alcuni bioplastici hanno dimostrato una buona compatibilità con gli elettrodi di gelatina e un isolamento elettrico sufficiente.

Una combinazione specifica di materiali ha consentito ai 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 i loro omologhi non biodegradabili, promuovendo la sostenibilità nella tecnologia dei muscoli artificiali.

Ellen Rumley elabora sull’impatto della loro ricerca:

“Dimostrando le prestazioni eccezionali di questo nuovo sistema di materiali, stiamo dando un incentivo alla comunità dei robotici per considerare i materiali biodegradabili come un’opzione di materiali valida per la costruzione di robot. Il fatto che abbiamo ottenuto risultati così grandi con bioplastiche speriamo anche motivi altri scienziati dei materiali a creare nuovi materiali con prestazioni elettriche ottimizzate.”

Prospettive future e applicazioni

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 i dispositivi a uso singolo sono prevalenti. Il successo di questa ricerca apre la strada all’esplorazione di ulteriori componenti biodegradabili e alla progettazione di robot completamente ecocompatibili.

Le potenziali applicazioni per i robot soffici 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 pianifica di raffinare ulteriormente i materiali e i processi utilizzati nella creazione di muscoli artificiali biodegradabili. Collaborando con altri esperti in scienza dei materiali e robotica, mirano a sviluppare nuove tecnologie che spingeranno in avanti il campo della robotica soffice sostenibile. I ricercatori sperano di incoraggiare l’adozione di materiali biodegradabili in vari settori, promuovendo un approccio più ecologico allo sviluppo tecnologico.

Il lavoro pionieristico di questo team di ricerca internazionale rappresenta un passo fondamentale verso un futuro più sostenibile per la robotica soffice. Dimostrando la fattibilità e le prestazioni dei muscoli artificiali biodegradabili, stanno aprendo la strada a ulteriori avanzamenti nella tecnologia verde e ispirando la comunità dei robotici a considerare alternative sostenibili per le loro creazioni.