Un materiale elastico destinato a robot morbidi, dispositivi indossabili o componenti biomedicali non deve soltanto allungarsi senza spezzarsi. Deve anche sopportare migliaia o milioni di deformazioni, distribuire i carichi e impedire che un piccolo difetto si trasformi in una frattura completa.
La progettazione degli elastomeri si scontra da tempo con un compromesso difficile da eliminare. I materiali capaci di assorbire molta energia prima della rottura possono subire danni interni permanenti. Quelli che resistono bene ai carichi ciclici, invece, non sempre tollerano un allungamento elevato, un urto o la presenza di una crepa.
Un gruppo dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, meglio conosciuta come EPFL, ha studiato una diversa architettura interna per affrontare il problema. Il materiale si chiama DNGE, abbreviazione di Double Network Granular Elastomer, cioè elastomero granulare a doppia rete.
La ricerca è stata condotta da Eva Baur, John Kolinski ed Esther Amstad. Il progetto riunisce il Soft Materials Laboratory dell’EPFL, diretto da Amstad, il gruppo Engineering Mechanics of Soft Interfaces e il National Center of Competence in Research Bio-Inspired Materials.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Science Advances.
Un materiale nato come inchiostro per la stampa 3D
I DNGE non erano stati concepiti inizialmente per battere record di resistenza alla fatica. Il primo obiettivo era ottenere un elastomero facilmente estrudibile e capace di cambiare comportamento meccanico da una zona all’altra dello stesso oggetto.
Gli elastomeri tradizionali vengono spesso colati in uno stampo. Questo processo permette di produrre componenti flessibili, ma rende più difficile modificare la composizione del materiale all’interno di un singolo pezzo. La stampa 3D mediante estrusione diretta, o Direct Ink Writing, offre maggiore libertà, purché il materiale possieda la consistenza adatta.
Un precursore elastomerico troppo liquido perde la forma dopo essere uscito dall’ugello. Un composto troppo viscoso può risultare difficile da estrudere oppure richiedere pressioni elevate. L’impiego di microparticelle consente di ottenere un inchiostro che scorre durante l’estrusione e recupera consistenza dopo la deposizione.
Questa impostazione aveva già permesso al gruppo dell’EPFL di stampare strutture con zone rigide e morbide integrate nello stesso corpo. Tra i dimostratori sviluppati figurava un dito artificiale con elementi interni più rigidi, simili a ossa, circondati da una parte deformabile paragonabile ai tessuti molli.
Lo studio successivo ha mostrato che l’organizzazione granulare non serve soltanto a facilitare la stampa. Influisce direttamente sul modo in cui il materiale distribuisce le sollecitazioni e reagisce alla presenza di una crepa.
Come viene costruita la doppia rete
La preparazione parte da un’emulsione olio in acqua. La fase interna contiene acrilato di butile, un agente reticolante e un fotoiniziatore. L’alcol polivinilico viene impiegato come tensioattivo per stabilizzare l’emulsione.
L’esposizione alla luce ultravioletta avvia la polimerizzazione e trasforma le goccioline in microparticelle elastomeriche. Queste particelle vengono lavate e immerse in una seconda soluzione contenente i precursori di un altro elastomero.
Assorbendo la soluzione, le microparticelle si gonfiano. Quando vengono concentrate, si comprimono una contro l’altra formando una pasta granulare estrudibile. La miscela può quindi essere caricata in una stampante 3D ad estrusione.
Dopo la deposizione, una seconda polimerizzazione consolida la struttura. Il risultato non è un materiale uniforme: al suo interno sono presenti particelle relativamente rigide, collegate e circondate da una rete polimerica più morbida.
La prima rete determina soprattutto la rigidezza delle microparticelle. La seconda fornisce continuità all’oggetto, mantiene unite le particelle e permette al materiale di deformarsi. Modificando la densità di reticolazione delle due reti, i ricercatori possono regolare in modo separato proprietà che in un elastomero convenzionale tendono a essere strettamente legate.
Resistenza alla frattura e resistenza alla fatica non sono la stessa cosa
Quando si parla di un materiale “resistente”, è importante distinguere le condizioni di prova. La tenacità alla frattura descrive quanta energia deve essere fornita perché una crepa cresca durante un carico continuo. La resistenza alla fatica riguarda invece la propagazione di un difetto in presenza di numerosi cicli di carico e scarico.
Un elastomero può sopportare un forte allungamento una sola volta e deteriorarsi se la stessa deformazione viene ripetuta. Può anche mostrare un buon recupero elastico durante i cicli ordinari, ma rompersi rapidamente quando incontra un taglio, una tacca o un difetto di fabbricazione.
Gli elastomeri a doppia rete convenzionali ottengono spesso una buona tenacità attraverso la rottura di legami definiti “sacrificali”. La prima rete si danneggia e assorbe energia, mentre la seconda mantiene integro il componente. Il sistema funziona contro un singolo evento severo, ma il danno accumulato non è sempre recuperabile. Dopo molti cicli, la capacità di dissipare energia può ridursi.
Nei DNGE dell’EPFL interviene un meccanismo diverso. Parte dell’energia viene dispersa attraverso lo scorrimento e la riorganizzazione delle catene polimeriche negli spazi più morbidi tra le microparticelle. Il processo può ripetersi senza richiedere ogni volta la rottura irreversibile di una grande quantità di legami.
Lo sforzo viene distribuito tra particelle e zone morbide
Sotto trazione, le microparticelle più rigide sostengono una parte del carico. Le regioni interstiziali più morbide assorbono una quota maggiore della deformazione. Questa ripartizione evita che lo sforzo si concentri in un unico punto.
Il materiale non si comporta quindi come una massa omogenea, ma come un sistema composto da molte piccole unità con proprietà differenti. Quando una zona è sottoposta a una sollecitazione elevata, la microstruttura contribuisce a distribuire il carico nelle aree circostanti.
Gli esperimenti ciclici hanno mostrato che, dopo i primi allungamenti, la quantità di energia dissipata tende a stabilizzarsi. Il materiale conserva quindi la possibilità di assorbire energia durante i cicli successivi, limitando l’accumulo di danni permanenti.
Questa caratteristica è importante per componenti come pinze robotiche, giunti flessibili, guarnizioni, supporti indossabili e dispositivi di assistenza al movimento. In tutti questi casi il materiale non affronta soltanto un carico massimo, ma una lunga sequenza di piegamenti, compressioni e allungamenti.
Una crepa costretta a seguire un percorso più lungo
La struttura granulare modifica anche il percorso della frattura. In un elastomero omogeneo, una crepa può avanzare lungo una direzione quasi rettilinea quando trova condizioni favorevoli.
Nei DNGE le microparticelle più rigide rappresentano ostacoli. La crepa tende a svilupparsi negli spazi morbidi che le circondano ed è costretta a seguire una traiettoria sinuosa.
Un percorso più tortuoso richiede una maggiore quantità di energia. La punta della crepa cambia direzione, incontra zone con proprietà differenti e avanza su una distanza effettiva superiore rispetto a una linea retta. Il cedimento completo viene quindi ritardato.
Questo principio ricorda alcune strutture naturali nelle quali parti dure e morbide sono organizzate per deviare una frattura e distribuirne gli effetti. Non è la composizione chimica da sola a stabilire il comportamento: conta anche la geometria della microstruttura.
I risultati delle prove meccaniche
Le formulazioni ottimizzate hanno raggiunto una tenacità alla frattura fino a 13.500 joule per metro quadrato e una soglia di fatica fino a 72 joule per metro quadrato. Il modulo di Young, utilizzato per descrivere la rigidezza del materiale, è arrivato a circa 1,1 megapascal.
Rispetto agli elastomeri a singola rete e agli elastomeri a doppia rete privi della struttura granulare, ma preparati con composizioni chimiche comparabili, la tenacità alla frattura è risultata fino a quindici volte superiore.
La soglia di fatica ha raggiunto valori fino a tre volte maggiori rispetto agli elastomeri a doppia rete omogenei e fino a quindici volte maggiori rispetto ai campioni a singola rete.
La soglia di fatica indica il livello di sollecitazione ciclica sotto il quale una crepa cresce in modo estremamente lento. Nel protocollo adottato dai ricercatori, il limite è stato associato a un avanzamento inferiore a un ångström per ciclo. Non significa che il materiale sia immune da ogni forma di usura, ma fornisce un riferimento quantitativo per confrontare diverse architetture polimeriche.
Il gruppo ha ottenuto buone prestazioni anche preparando alcuni campioni in presenza di aria. Il dato ha una rilevanza produttiva perché l’ossigeno può ostacolare la polimerizzazione radicalica degli acrilati. Ridurre la dipendenza da atmosfere protettive potrebbe facilitare l’impiego del processo al di fuori di un laboratorio specializzato.
Proprietà differenti all’interno dello stesso oggetto
La stampa 3D consente di sfruttare il materiale non soltanto come elastomero omogeneo, ma come base per compositi morbidi con una disposizione controllata.
Il gruppo dell’EPFL ha stampato strutture contenenti fibre più rigide immerse in una matrice morbida. Durante l’allungamento, le fibre sostengono una parte del carico, mentre la matrice permette al componente di deformarsi e limita la propagazione delle fratture.
È stata inoltre realizzata una configurazione con nucleo morbido e rivestimento più rigido, ispirata ai filamenti bissali utilizzati dai mitili per ancorarsi alle superfici. In queste strutture naturali, una combinazione calibrata di regioni rigide e deformabili permette di resistere alle correnti e agli urti senza perdere flessibilità.
La possibilità di depositare formulazioni differenti apre la strada a oggetti nei quali la rigidezza, la tenacità e la resistenza alla fatica cambiano lungo il componente. Un giunto potrebbe essere molto flessibile nella zona di piegatura e più rigido nei punti di fissaggio. Una pinza robotica potrebbe avere dita morbide a contatto con l’oggetto e una struttura portante più rigida.
Questa libertà progettuale riduce anche la necessità di assemblare materiali diversi mediante adesivi, viti o incastri. Le interfacce meccaniche rappresentano spesso punti deboli, soprattutto quando il componente viene deformato molte volte.
Possibili applicazioni nella robotica morbida
I robot morbidi richiedono materiali capaci di adattarsi agli oggetti senza danneggiarli. Una pinza destinata alla raccolta di frutta, alla manipolazione di prodotti alimentari o all’interazione con una persona deve combinare delicatezza e capacità di sostenere il carico.
Un elastomero con proprietà variabili potrebbe consentire di produrre attuatori nei quali il movimento è determinato dalla geometria e dalla distribuzione della rigidezza. Il componente potrebbe piegarsi lungo una direzione prestabilita senza ricorrere a una cerniera tradizionale.
L’assenza di giunti meccanici può diminuire il peso, ridurre il numero di parti e semplificare l’assemblaggio. Rimangono però da integrare sistemi di attuazione, sensori, collegamenti elettrici e unità di controllo. Il Soft Materials Laboratory sta studiando anche l’inserimento di materiali sensibili agli stimoli e connessioni elettriche nelle strutture DNGE.
Dispositivi indossabili, riabilitazione e protesi
Nei dispositivi indossabili, la capacità di combinare sostegno e deformabilità può essere utilizzata per guidare un movimento senza bloccare completamente l’articolazione.
Un supporto riabilitativo potrebbe risultare rigido in una direzione e flessibile in un’altra. Una protesi potrebbe integrare zone portanti e superfici morbide senza dover unire numerosi componenti prodotti separatamente. Sensori deformabili potrebbero essere incorporati nelle aree soggette a movimento.
Prima di un impiego biomedicale sarà necessario valutare biocompatibilità, sterilizzazione, rilascio di sostanze, stabilità a contatto con il corpo e comportamento dopo un elevato numero di cicli. La pubblicazione dimostra le proprietà meccaniche del materiale, non l’esistenza di un prodotto clinico pronto per l’uso.
Gli aspetti ancora da verificare
I risultati ottenuti dall’EPFL riguardano campioni e dimostratori prodotti in condizioni controllate. Il trasferimento verso la produzione richiederà una valutazione della velocità di stampa, della ripetibilità tra lotti e del controllo dimensionale delle microparticelle.
Dovranno essere esaminati anche il comportamento a lungo termine, lo scorrimento viscoso sotto carico costante, l’invecchiamento termico, l’esposizione alla luce, l’umidità e il contatto con oli o detergenti. Questi fattori possono modificare le prestazioni di un elastomero anche quando i risultati iniziali delle prove di trazione sono favorevoli.
Un altro punto riguarda la sostenibilità. La formulazione descritta nello studio è basata principalmente su acrilato di butile e reticolanti acrilici. Una struttura polimerica reticolata non può essere rifusa e riciclata con la stessa facilità di un termoplastico.
Il gruppo di Esther Amstad sta quindi lavorando su elastomeri biodegradabili e su materie prime provenienti dal riciclo. L’obiettivo è conservare la capacità di stampa e le proprietà meccaniche introducendo materiali con un impatto ambientale più contenuto.
Un progetto accademico senza partner industriali dichiarati
La ricerca è stata sviluppata all’interno dell’EPFL e delle strutture scientifiche collegate. Nella pubblicazione non viene indicata un’azienda come sviluppatrice o partner industriale del materiale.
La stampa è stata eseguita mediante apparecchiature commerciali, ma nella comunicazione pubblica dell’EPFL non viene attribuito un ruolo specifico al produttore della stampante. Non sarebbe quindi corretto associare la tecnologia a un marchio senza una conferma nel lavoro scientifico.
Il valore dello studio risiede soprattutto nella strategia progettuale: utilizzare microparticelle rigide e una seconda rete più morbida per ottenere un inchiostro estrudibile e, nello stesso tempo, controllare il modo in cui il materiale dissipa energia e ostacola le crepe.
I DNGE restano una piattaforma di ricerca, ma indicano una strada concreta per produrre componenti elastici nei quali forma, rigidezza e durata meccanica vengono progettate insieme durante la stampa 3D.
