Il guanto VR della stampante 3D
Insieme ai colleghi dell’EPFL e dell’ETH di Zurigo, un team Empa sta sviluppando guanti VR di nuova generazione che renderanno tangibili i mondi virtuali. Il guanto deve essere adattato a ciascun utente e in grado di essere prodotto in gran parte automaticamente, utilizzando un processo di stampa 3D.
Il guanto VR di nuova generazione renderà tangibili i mondi virtuali. Illustrazione: Herbert Shea, EPFL (2021)
La ricerca a volte richiede un sacrificio. Il ricercatore dell’Empa Patrick Danner ne ha appena realizzato uno e lo ha filmato. “Quando ho applicato un buon 2000 volt al campione, ha preso fuoco”, riferisce seccamente nel debriefing. L’incidente è chiaramente visibile nel video del suo cellulare: prima fuma, poi le fiamme eruttano dal polimero creato sperimentalmente. “Speriamo che tu sia ancora in grado di salvarne un pezzo”, ribatte Dorina Opris, capo del gruppo di ricerca “Functional Polymeric Materials”. Un elemento di prova è importante per imparare dal risultato e trarre conclusioni.
Con la loro ricerca sui polimeri elettroattivi, Dorina Opris e Patrick Danner fanno parte di un progetto su larga scala chiamato “Manufhaptics”. L’obiettivo del progetto quadriennale, guidato da Herbert Shea del Soft Transducers Lab dell’EPFL, è un guanto che renda tangibili i mondi virtuali. Fondamentalmente, tutti i componenti del guanto, che esercitano varie forze sulla superficie della mano, devono essere producibili in una stampante 3D. Si tratta quindi di ricercare nuovi materiali, considerando fin dall’inizio il metodo di produzione.
Tre tipi di attuatori
Il polimero elettroattivo desiderato dovrebbe avere una consistenza simile alla crema per le mani in modo che i muscoli artificiali possano essere prodotti automaticamente in una stampante 3D. Immagine: Empa
Per rendere reali le superfici virtuali e rendere gli oggetti tangibili della giusta dimensione, i team di ricerca dell’EPFL, dell’ETH di Zurigo e dell’Empa vogliono integrare nel guanto tre diversi tipi di attuatori: sotto le dita, le protuberanze possono crescere fino a replicare una specifica trama di una superficie. Nella zona delle articolazioni delle dita sono montati freni elettrostatici che irrigidiscono il guanto e bloccano le articolazioni. Questo simula oggetti più grandi e solidi che offrono resistenza quando vengono toccati. Il terzo tipo di attuatori che completano l’esperienza virtuale sono chiamati DEA (Dielectric Elastomer Actuator). Questi DEA sono usati sul dorso della mano; stringono la pelle esterna del guanto in modo che si adatti perfettamente in tutti i punti. Durante l’esperienza VR, possono anche esercitare pressione sulla superficie della mano. Le DEA sono l’argomento dell’Empa.
“Muscoli” artificiali dalla stampante 3D
Gli attuatori elettrostatici amplificati idraulicamente di dimensioni mm forniscono un senso del tatto e della consistenza (a sinistra). Gli attuatori della frizione elettrostatica ad alta forza, che possono bloccare le articolazioni delle dita, fanno sentire solidi gli oggetti virtuali (al centro). Attuatore in elastomero dielettrico multistrato per il dimensionamento attivo del guanto e la compressione locale (a destra). Illustrazione: Herbert Shea, EPFL (2021)
Dorina Opris, a capo del gruppo di ricerca, ha anni di esperienza con tali polimeri elettroattivi. “Reagiscono ai campi elettrici e si contraggono come un muscolo”, spiega il ricercatore. “Ma possono anche fungere da sensore, assorbendo una forza esterna e generando da essa un impulso elettrico. Stiamo anche pensando di utilizzarli per raccogliere energia localmente: dal movimento, l’elettricità può quindi essere generata ovunque”.
Il progetto Manufhaptics presenta nuove sfide per Opris e il suo collega Patrick Danner. “Fino ad ora, abbiamo prodotto i nostri polimeri utilizzando solventi attraverso una sintesi chimica”, spiega Opris. Ora tutto deve funzionare senza solventi: il piano è di sovrapporre fino a 1000 strati fini dalla stampante 3D, alternando sempre tra il polimero elettroattivo e uno strato conduttore di corrente. “Il solvente deve essere evitato in un tale processo”, afferma Opris. Patrick Danner spiega la difficoltà successiva: i due inchiostri necessari per creare gli strati devono avere la giusta consistenza per fuoriuscire dall’ugello della stampante 3D. “Il nostro partner di progetto Jan Vermant dell’ETH di Zurigo vuole qualcosa con proprietà simili a una crema per le mani. Dovrebbe uscire facilmente dalla stampante e quindi rimanere dimensionalmente stabile sulla base.”
Dopo una lunga serie di test, Patrick Danner ha trovato una formulazione promettente: una crema sufficientemente liquida e allo stesso tempo dimensionalmente stabile, da cui si possono creare polimeri elettroattivi in un unico passaggio. Il suo collega Tazio Pleji all’ETH di Zurigo, un membro del team di Jan Vermont, ha trasformato con successo il materiale nella sua stampante 3D in diversi strati, alternando sempre tra polimero e materiale dell’elettrodo. Non ci sono ancora 1.000 strati, ma solo circa 10, e il muscolo artificiale della stampante 3D non funziona ancora in modo soddisfacente.
La competizione è ad Harvard
Ma Opris e Danner sono fiduciosi di padroneggiare il compito insieme agli specialisti della stampa dell’ETH di Zurigo, forse come il primo team al mondo. Gli unici concorrenti scientifici in questo campo hanno sede presso la rinomata Università di Harvard nel Massachusetts. “Conosco i colleghi lì da alcuni congressi”, dice Dorina Opris. “Osserviamo molto da vicino ciò che stanno facendo. E sicuramente stanno guardando anche il nostro lavoro.”
Illustrazione: Herbert Shea, EPFL (2021)