Materiale Sintetico Consente ai Robot Moleccoli di Crescere come le Piante

Un team di scienziati e ingegneri dell’Università del Minnesota ha sviluppato un processo di estrusione ispirato alle piante che consente la crescita di materiali sintetici, il che potrebbe consentire ai robot moleccoli di crescere come le piante. Il metodo è innovativo e nuovo, e i robot risultanti potrebbero navigare in spazi stretti, terreni complicati e anche aree all’interno del corpo umano.

La ricerca, che è stata finanziata dalla National Science Foundation, è stata pubblicata sul Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Robot che “Crescono” Mentre Si Muovono

Chris Ellison è l’autore principale del documento e un professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali dell’Università del Minnesota Twin Cities.

“Questa è la prima volta che questi concetti sono stati fondamentalmente dimostrati”, ha detto Ellison. “Sviluppare nuovi metodi di produzione è fondamentale per la competitività del nostro paese e per portare nuovi prodotti alle persone. Sul lato robotico, i robot sono utilizzati sempre più in ambienti pericolosi e remoti, e sono proprio questi i tipi di aree in cui questo lavoro potrebbe avere un impatto”.

I robot moleccoli sono robot fatti di materiali morbidi e flessibili invece di materiali rigidi, e questi nuovi tipi di robot moleccoli in crescita possono generare nuovo materiale e “crescere” mentre si muovono. Potrebbero essere applicati a una varietà di applicazioni e sono particolarmente utili per la navigazione in aree remote che gli esseri umani non possono accedere. Le applicazioni reali potrebbero includere ispezioni o l’installazione di tubi sotterranei, o la navigazione all’interno del corpo umano.

I robot moleccoli in crescita che attualmente abbiamo accesso lasciano una scia di materiale solido dietro di loro e utilizzano calore e/o pressione per trasformare il materiale in una struttura più permanente. I ricercatori paragonano questo a una stampante 3D, che è alimentata da filamento solido per produrre un prodotto sagomato. Nonostante questo, il materiale morbido diventa difficile quando il robot deve muoversi intorno a curve, il che significa che è difficile per i robot navigare in alcuni ostacoli.

Sviluppo di Nuovi Metodi di Estrusione

Per affrontare questo problema, il team ha sviluppato un nuovo metodo di estrusione. Il nuovo processo prevede che il materiale venga spinto attraverso un’apertura per creare una forma specifica e consente al robot di creare il suo materiale sintetico a partire da liquidi invece di solidi.

Matthew Hausladen è l’autore principale del documento e uno studente di dottorato del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali dell’Università del Minnesota Twin Cities.

“Siamo stati veramente ispirati da come le piante e i funghi crescono”, ha detto Hausladen. “Abbiamo preso l’idea che le piante e i funghi aggiungono materiale alla fine dei loro corpi, sia alle punte delle radici che ai nuovi germogli, e l’abbiamo tradotta in un sistema di ingegneria”.

I ricercatori hanno voluto imitare il processo con cui le piante utilizzano l’acqua per trasportare i blocchi costitutivi che si trasformano in radici solide mentre la pianta cresce verso l’esterno. Per raggiungere questo con materiale sintetico, il team ha fatto affidamento su una tecnica chiamata fotopolimerizzazione, che utilizza la luce per trasformare monomeri liquidi in un materiale solido. Il robot molecolle può utilizzare questa tecnologia per navigare più facilmente intorno agli ostacoli e alle curve senza la necessità di trascinare materiale solido.

Applicazioni Real-World Potenziali

Il team afferma che il nuovo processo potrebbe anche essere applicato nella produzione, specialmente nelle applicazioni che utilizzano calore, pressione e macchinari per creare e plasmare materiali che potrebbero non essere necessari.

“Una parte molto importante di questo progetto è che abbiamo scienziati dei materiali, ingegneri chimici e ingegneri robotici tutti coinvolti”, ha continuato Ellison. “Mettilo insieme la nostra diversa esperienza, abbiamo portato qualcosa di unico a questo progetto e sono fiducioso che nessuno di noi avrebbe potuto farlo da solo. Questo è un ottimo esempio di come la collaborazione consenta ai ricercatori di affrontare problemi fondamentali molto difficili e avere un impatto tecnologico”.

Il team di ricercatori include anche i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali dell’Università del Minnesota Boran Zhao (ricercatore post-dottorato) e Lorraine Francis (Professore Distinguished del College of Science and Engineering); e i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università del Minnesota Tim Kowalewski (professore associato) e Matthew Kubala (studente di laurea).