Pionieri della robotica soft 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, in Germania, dell’Università Johannes Kepler (JKU) di Linz, in Austria, e dell’Università del Colorado (CU Boulder), Boulder, USA, ha portato la sostenibilità al centro della robotica soft.

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

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

“I componenti biodegradabili potrebbero offrire una soluzione sostenibile soprattutto 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 di 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 alla coppia di elettrodi, si creano cariche opposte, generando una forza che spinge l’olio verso una regione del sacchetto priva di elettrodi. Questa migrazione dell’olio provoca 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, morbido e completamente biodegradabile. I ricercatori della JKU hanno creato una ricetta utilizzando una miscela di biopolimero gelatina e sali che poteva essere direttamente fusa sugli attuatori HASEL.

David Preninger, co-autore principale di questo progetto e scienziato della Divisione di Fisica della Materia Soft 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.”

Fonte dell’immagine: Max Plank Institute

Prestazioni elettriche e plastiche biodegradabili

L’ostacolo successivo è stato l’identificazione di plastiche biodegradabili adeguate. 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 diversi migliaia di volt. Tuttavia, alcune bioplastiche hanno dimostrato una buona compatibilità con gli elettrodi di gelatina e un isolamento elettrico sufficiente.

Una specifica combinazione di materiali ha permesso ai HASEL di sopportare 100.000 cicli di attuazione a diversi 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 si sofferma sull’impatto della loro ricerca:

“Mostrando 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 le 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 soft biodegradabili si estendono 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.

Man mano che 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 soft sostenibile. Gli scienziati 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 soft. Dimostrando la fattibilità e le prestazioni dei muscoli artificiali biodegradabili, stanno aprendo la strada a ulteriori progressi nella tecnologia verde e ispirando la comunità dei robotici a considerare alternative sostenibili per le loro creazioni.