Muscoli artificiali in silicone: una nuova frontiera della stampa3d
Un team di ricerca dell’Empa – Istituto Federale Svizzero per la Ricerca sui Materiali e la Tecnologia sta sviluppando muscoli artificiali realizzati con stampa 3D, pensati per applicazioni in campo medico, nella robotica e in tutti quei contesti in cui è necessario generare movimento tramite impulso elettrico.
L’obiettivo è creare strutture morbide, elastiche e al tempo stesso resistenti, in grado di replicare le funzionalità della muscolatura naturale. Tali strutture agiscono come attuatori, ovvero dispositivi che trasformano segnali elettrici in movimento meccanico. Gli attuatori sono già largamente utilizzati in settori industriali, automobilistici e domestici, ma la maggior parte di essi è ancora costituita da elementi rigidi, distanti per caratteristiche funzionali dalla flessibilità tipica del tessuto muscolare.
Nuovi attuatori morbidi stampati in 3D
Il gruppo di ricerca del laboratorio di polimeri funzionali dell’Empa ha messo a punto una tecnologia di stampa 3D per la realizzazione di attuatori in materiali soffici, superando alcune difficoltà tecniche legate alla lavorazione di composti elastici e sensibili.
Gli attuatori sviluppati, noti come attuatori dielettrici elastici (DEA), sono composti da due tipi di materiali a base di silicone: un materiale conduttivo che funge da elettrodo e un materiale dielettrico isolante. Questi vengono stampati in strati alternati, creando una struttura simile a dita intrecciate. Quando viene applicata una tensione elettrica, l’elemento si contrae. Una volta interrotta la corrente, la struttura torna alla sua forma originaria.
Equilibrare proprietà contrastanti nella stampa 3D
Realizzare queste strutture con la stampa 3D non è un processo semplice. I due materiali devono comportarsi in modo simile durante la stampa, pur mantenendo proprietà elettriche molto diverse. Devono aderire tra loro senza mescolarsi, e al contempo risultare sufficientemente morbidi da deformarsi con l’impulso elettrico.
Un’altra sfida riguarda la reologia dei materiali: devono essere abbastanza fluidi da poter essere estrusi, ma allo stesso tempo abbastanza viscosi da mantenere la forma una volta depositati. Come spiega il ricercatore Patrick Danner, ottimizzare una di queste caratteristiche può compromettere le altre. Trovare un equilibrio è quindi essenziale per garantire funzionalità e stabilità della struttura stampata.
Dalla prototipazione a possibili applicazioni mediche
Grazie alla collaborazione con il team dell’ETH di Zurigo, coordinato da Tazio Pleij e Jan Vermant, è stato possibile sviluppare un sistema di stampa con ugelli speciali in grado di gestire le due formulazioni in silicone. Le inchiostre polimeriche, progettate presso l’Empa, sono stampate in modo alternato per generare attuatori completamente morbidi e funzionali.
Il progetto è parte dell’iniziativa “Manufhaptics”, che rientra nel programma strategico del Settore Ricerca Avanzata ETH. Tra gli obiettivi vi è la creazione di un guanto aptico, capace di simulare la sensazione del tatto nei mondi virtuali, grazie alla resistenza esercitata dagli attuatori durante il movimento.
Versatilità e potenziale di sviluppo
Questi attuatori in silicone, oltre ad essere leggeri e silenziosi, possono assumere forme molto diverse, rendendoli adatti a un’ampia gamma di applicazioni. Potrebbero essere integrati in componenti automobilistici, dispositivi robotici o sistemi industriali dove siano richieste soluzioni flessibili e leggere.
Il team sta lavorando anche alla realizzazione di fibre elastiche più sottili, avvicinandosi sempre più alla morfologia della muscolatura naturale. Secondo la ricercatrice Dorina Opris, coordinatrice del progetto, questo approccio potrebbe in futuro consentire la produzione di strutture complesse come un intero cuore artificiale. La strada da percorrere è ancora lunga, ma i progressi nella combinazione tra materiali polimerici funzionali e stampa additiva stanno aprendo nuove possibilità anche nel campo della bioingegneria.
