La stampa 3D sta entrando in una fase in cui non serve solo a produrre forme statiche, ma anche materiali capaci di cambiare comportamento dopo la fabbricazione. Un gruppo di ricerca della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, insieme a ricercatori collegati al Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, ha sviluppato una strategia di stampa 3D multimateriale per ottenere filamenti morbidi che possono piegarsi, torcersi, allungarsi o contrarsi quando vengono riscaldati o raffreddati. Il lavoro è associato al laboratorio di Jennifer A. Lewis ed è descritto in uno studio pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences.
Una stampa 3D che programma il movimento dentro il filamento
Il punto centrale della ricerca non è la semplice produzione di un materiale flessibile. Il risultato nasce dalla possibilità di “scrivere” nel filamento una risposta meccanica precisa già durante la stampa. Per farlo, il gruppo ha utilizzato una tecnica chiamata rotational multimaterial 3D printing, una forma di stampa 3D in cui più materiali vengono estrusi attraverso un ugello rotante. La rotazione permette di controllare dove si posizionano i diversi materiali nella sezione del filamento e come si orientano lungo il percorso di stampa.
Il materiale attivo usato nello studio è un elastomero a cristalli liquidi, noto anche come LCE. Questa famiglia di polimeri è studiata da tempo per applicazioni nei muscoli artificiali, perché può contrarsi lungo una direzione preferenziale quando supera una certa temperatura di transizione. Accanto a questo materiale attivo viene stampato un elastomero passivo, più stabile rispetto agli sbalzi termici, che non ha lo stesso comportamento di contrazione e agisce come guida meccanica.
In pratica, il filamento viene progettato come una piccola struttura composita: una parte reagisce al calore, l’altra resiste o limita il movimento. Quando il lato attivo si accorcia e quello passivo mantiene la propria forma, il filamento si curva. Se l’ugello ruota durante la stampa, l’orientamento del materiale attivo assume una geometria elicoidale; da qui derivano movimenti più complessi, come torsione, avvolgimento o cambiamento della curvatura lungo il filamento.
Perché si parla di muscoli artificiali
Il paragone con i muscoli biologici non va inteso come una copia diretta del tessuto umano o animale. Qui non ci sono cellule muscolari, né contrazione biologica. L’analogia riguarda il comportamento: fibre sottili che, lavorando insieme, possono produrre movimenti più complessi rispetto a un singolo elemento rigido.
In natura, molte strutture filamentose sfruttano geometrie interne per trasformare una sollecitazione in movimento. Harvard cita esempi come viticci delle piante, proteine, tentacoli di polpo e proboscidi di elefante. Lo studio parte da questa osservazione: se la struttura interna di un filamento può essere controllata con sufficiente precisione, anche un materiale sintetico può essere programmato per assumere una forma diversa in risposta a uno stimolo.
Il lavoro non si limita quindi a stampare un oggetto morbido, ma cerca di controllare in modo indipendente curvatura e torsione lungo il filamento. L’articolo scientifico descrive una strategia in cui la curvatura naturale e il campo di torsione vengono incorporati direttamente nella fase di fabbricazione, combinando distribuzione dei materiali, allineamento molecolare dell’elastomero a cristalli liquidi e modellazione computazionale.
Il ruolo dell’ugello rotante
Nella stampa 3D tradizionale, il filamento depositato segue il percorso impostato dal software, ma la struttura interna del materiale viene controllata solo in modo limitato. In questa ricerca, invece, l’ugello non si limita a depositare materiale: ruota e orienta la disposizione interna dei componenti.
Questa differenza è importante. Se i materiali attivi e passivi fossero disposti in modo casuale, il movimento risultante sarebbe difficile da prevedere. Con la stampa rotazionale multimateriale, invece, il gruppo può stabilire se il filamento dovrà piegarsi verso una direzione, torcersi, espandersi o contrarsi. La risposta finale dipende dalla posizione del materiale attivo nella sezione del filamento, dalla velocità di rotazione dell’ugello, dalla geometria del percorso e dal rapporto tra i materiali.
Questa piattaforma deriva da lavori precedenti del Lewis Lab. Nel 2023, Harvard aveva già presentato un metodo di stampa multimateriale rotazionale per creare filamenti elicoidali con architetture interne controllate, utilizzabili in muscoli artificiali, reticoli elastici e componenti per soft robotics. In quel caso il sistema impiegava una testina con più cartucce di inchiostro, capace di alimentare materiali diversi in un unico ugello.
Filamenti Janus, reticoli e strutture che cambiano forma
Uno degli aspetti più interessanti del nuovo studio è l’uso di filamenti di tipo Janus, cioè elementi in cui due materiali diversi convivono nella stessa sezione, con interfacce ben definite. Questa configurazione permette di ottenere una risposta asimmetrica: una parte del filamento cambia dimensione o orientamento, l’altra no.
I ricercatori hanno poi usato questi filamenti come blocchi di costruzione per reticoli più complessi. In alcuni esperimenti sono stati stampati filamenti sinusoidali, cioè ondulati. Anche se a freddo possono apparire simili, il loro comportamento cambia in base alla posizione dell’elastomero a cristalli liquidi. Se il materiale attivo si trova sul lato esterno della curva, il filamento può raddrizzarsi ed espandersi; se si trova sul lato interno, può accorciarsi e contrarsi.
Assemblando queste unità in reticoli piatti, il gruppo ha dimostrato funzioni come filtri a porosità variabile e piccoli gripper. Nel caso dei filtri, il reticolo può aprirsi quando viene riscaldato e richiudersi quando viene raffreddato, modificando il passaggio di particelle. Nel caso dei gripper, la struttura può afferrare e rilasciare elementi cilindrici attraverso cicli termici controllati. Sono state inoltre mostrate strutture capaci di trasformarsi in geometrie tridimensionali, come forme a cupola, con un comportamento coerente con le simulazioni.
Un legame con la stampa 4D
Questo lavoro può essere letto anche nel quadro della cosiddetta stampa 4D, termine usato quando un oggetto stampato in 3D cambia forma o funzione nel tempo in risposta a uno stimolo esterno. La quarta dimensione, in questo caso, è il tempo: il pezzo non resta identico dopo la produzione, ma passa da una configurazione a un’altra.
Nel caso dei filamenti di Harvard, lo stimolo principale è la temperatura. Il materiale attivo cambia comportamento quando viene riscaldato oltre la transizione nematico-isotropica dell’elastomero a cristalli liquidi. Quando il sistema torna sotto quella soglia, la struttura può recuperare la configurazione precedente, aprendo la strada a cicli reversibili di attuazione.
Questo approccio è diverso da un attuatore pneumatico, da un motore elettrico o da un sistema con cerniere tradizionali. Il movimento non è aggiunto dopo, ma nasce dalla distribuzione interna dei materiali. Per la soft robotics questo è un punto rilevante, perché riduce la necessità di assemblaggi meccanici e permette di immaginare componenti più continui, morbidi e adattabili.
Applicazioni possibili: robot morbidi, filtri, valvole e dispositivi biomedicali
Le applicazioni indicate dai ricercatori riguardano soprattutto la robotica morbida, i sistemi adattivi e le strutture deployable, cioè componenti che possono cambiare forma per aprirsi, chiudersi o adattarsi all’ambiente. Harvard cita gripper riconfigurabili, filtri attivi, valvole a porosità controllabile e filamenti iniettabili che potrebbero intrecciarsi e bloccarsi in posizione formando strutture porose ad alta superficie.
Per i gripper morbidi, l’interesse è evidente: un dispositivo flessibile può afferrare oggetti delicati o con geometrie irregolari senza la rigidità di un manipolatore tradizionale. Per filtri e valvole, la possibilità di modificare il passaggio di fluidi o particelle con la temperatura potrebbe portare a sistemi più semplici rispetto a meccanismi con parti rigide. In ambito biomedicale, l’idea di filamenti che si intrecciano o cambiano porosità apre scenari di ricerca, ma richiede ancora verifiche su biocompatibilità, controllo dell’attuazione, sicurezza e ripetibilità.
Il rapporto con altri lavori del Lewis Lab
La ricerca si collega a una linea più ampia del Lewis Lab sulla stampa 3D di materiali funzionali. A febbraio 2026, Harvard aveva descritto un’altra applicazione della stampa rotazionale multimateriale: la fabbricazione di robot morbidi con canali cavi integrati. In quel caso i filamenti includevano un guscio in poliuretano e un canale interno realizzato con un materiale rimovibile simile a un gel; una volta eliminato il materiale temporaneo, il canale poteva essere pressurizzato per generare piegamenti controllati.
La differenza tra i due approcci è utile da capire. Nei robot pneumatici, l’attuazione arriva dall’aria o da un fluido che entra nei canali. Nei nuovi filamenti attivi-passivi, invece, il movimento nasce dalla risposta termica del materiale. Entrambe le direzioni puntano allo stesso problema: come produrre robot morbidi e strutture adattive con meno stampi, meno passaggi manuali e più controllo geometrico già in fase di stampa.
Chi ha partecipato alla ricerca
Il lavoro è associato alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, al laboratorio di Jennifer A. Lewis e a un gruppo di autori che include Mustafa K. Abdelrahman, Jackson K. Wilt, Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Paink, Natalie M. Larson, Joanna Aizenberg, L. Mahadevan e Jennifer A. Lewis. La caratterizzazione dell’allineamento molecolare degli elastomeri a cristalli liquidi ha coinvolto misure di scattering a raggi X presso il Brookhaven National Laboratory, mentre il supporto alla ricerca è indicato attraverso programmi della National Science Foundation, Harvard MRSEC, ARO MURI e strutture come l’Harvard University Center for Nanoscale Systems.
Non risultano aziende industriali direttamente citate come co-sviluppatrici della tecnologia. Il percorso verso possibili applicazioni commerciali passa però dalla Harvard Office of Technology Development, che ha protetto le innovazioni associate alla ricerca e sta valutando opportunità di commercializzazione.
Cosa significa per la manifattura additiva
Per chi segue la stampa 3D, il valore di questa ricerca sta nel cambio di prospettiva. Non si tratta solo di produrre una forma complessa, ma di controllare come quella forma reagirà dopo la stampa. Questo significa portare nella manifattura additiva una parte del lavoro che, in altri sistemi, richiederebbe assemblaggi, cerniere, attuatori separati, laminazioni o stampi.
Il limite è altrettanto chiaro: siamo ancora in un contesto di ricerca. La risposta termica deve essere gestita con precisione, la durata dei cicli va verificata, la scalabilità del processo dipende da ugelli e materiali più evoluti, e l’integrazione con sistemi reali richiederà controlli più rapidi e localizzati rispetto a un semplice bagno termico. Anche la compatibilità con dispositivi biomedicali o industriali dovrà passare da test su stabilità, sicurezza e prestazioni nel tempo.
Il gruppo di Harvard indica comunque una strada concreta: usare la stampa 3D non solo per definire la geometria esterna, ma anche per programmare il comportamento interno del materiale. Per la soft robotics e per i materiali adattivi, questo può diventare un passaggio importante verso componenti più semplici da fabbricare e più vicini al modo in cui le strutture biologiche combinano forma, materia e movimento.
