Muscoli artificiali biomimetici stampati in 3D utilizzando attuatori morbidi che si contraggono e si allungano
CORRADO DE PASCALI ADELE NASELLI STEFANO PALAGI BARBARA MAZZOLAI
SCIENZA ROBOTICA
I ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) hanno sviluppato una mano robotica che utilizza muscoli artificiali stampati in 3D SLA per afferrare oggetti con un’efficienza simile a quella umana.
L’arto realistico è alimentato da una serie di attuatori basati su GeometRy che si contraggono e si allungano o “GRACES”, stampati in 3D da una membrana di resina che consente loro di allungarsi e contrarsi come i muscoli. Con un peso di soli 8 grammi, questi minuscoli attuatori possono sollevare fino a 1.000 volte il proprio peso e, quando integrati nella mano di un robot, hanno dimostrato la capacità di piegare le dita, ruotare il palmo e girare il polso.
Le macchine biomimetiche in grado di integrarsi con gli ambienti naturali e sociali troveranno applicazioni onnipresenti, dalla conservazione della biodiversità all’assistenza quotidiana agli anziani. Sebbene gli attuatori artificiali abbiano raggiunto le prestazioni di contrazione dei muscoli, la versatilità e la grazia dei movimenti realizzati dalle complesse disposizioni dei muscoli rimangono in gran parte impareggiabili. Qui, presentiamo una classe di muscoli artificiali pneumatici, denominati attuatori basati su GeometRy che si contraggono e si allungano (GRACE). I GRACE sono costituiti da una membrana plissettata monomateriale e non necessitano di elementi limitanti la deformazione. Possono contrarsi ed estendersi a disegno, come descritto da un modello matematico, e possono essere realizzati a diverse scale dimensionali e con diversi materiali e prestazioni meccaniche, consentendo un’ampia gamma di movimenti realistici. I GRACE possono essere fabbricati attraverso la produzione additiva a basso costo e persino costruiti direttamente all’interno di dispositivi funzionali, come una mano artificiale pneumatica che viene stampata completamente tridimensionalmente in un solo passaggio. Ciò rende la prototipazione e la fabbricazione di dispositivi pneumatici basati su muscoli artificiali più veloci e semplici.
Combinando efficacemente questi approcci, il team IIT afferma che potrebbe essere possibile stampare in 3D attuatori morbidi sufficientemente forti e flessibili da “integrarsi efficacemente con gli ambienti naturali e sociali”, in applicazioni che vanno dalla conservazione della biodiversità all’assistenza agli anziani. In quanto tale, il team considera il loro prototipo di mano robotica un primo passo verso la creazione di tali dispositivi più facili.
Sviluppare una mano robotica piena di GRACE
Secondo i ricercatori dell’IIT, gli attuatori artificiali hanno ora raggiunto un punto del loro sviluppo in cui sono in grado di ottenere le stesse prestazioni di contrazione dei muscoli biologici. Tuttavia, nel loro articolo, il team aggiunge che rimane molto difficile ricreare la “versatilità e grazia dei movimenti” resa possibile dalla complessa disposizione dei muscoli all’interno del corpo umano.
Per aggirare questo problema, gli scienziati hanno essenzialmente sviluppato muscoli artificiali. Queste GRACE, composte da una membrana plissettata monomateriale, sono costruite da zero per contrarsi ed estendersi utilizzando un modello matematico. Di conseguenza, gli attuatori sono in grado di funzionare come previsto senza l’integrazione di elementi di limitazione della deformazione.
La stampa 3D dei loro GRACE utilizzando una stampante 3D Formlabs Form 3 ha anche consentito ai ricercatori di integrare le pieghe nelle membrane dei dispositivi che si piegano e si aprono, dando loro la flessibilità e la forza necessarie per resistere a deformazioni ripetute. In pratica, il team ha testato le capacità dell’attuatore utilizzandolo per sollevare oggetti sempre più pesanti, sia da solo che in gruppo.
Come si è scoperto, a seconda dei parametri del materiale utilizzato per realizzare i dispositivi, erano in grado di sollevare oggetti di diversi ordini di grandezza più pesanti di loro. In un caso, un prototipo di GRACE da 8 grammi è persino riuscito a sollevare un peso di 8 chili, portando gli scienziati a considerare il loro potenziale come un mezzo per imitare muscoli e parti del corpo reali.
Con l’obiettivo di testare questa teoria, i ricercatori hanno deciso di collegare 18 attuatori di dimensioni diverse per creare una mano e un polso robotici. Applicando pressione su ciascuna delle membrane stampate in 3D, hanno scoperto che era possibile azionare la mano con movimenti ed efficienza simili a quelli umani. Dopo aver testato con successo il loro approccio, il team afferma che è possibile stampare in 3D i muscoli funzionali in un’unica fase di produzione.
“I GRACE possono essere fabbricati attraverso la produzione additiva a basso costo e persino costruiti direttamente all’interno di dispositivi funzionali, come una mano artificiale pneumatica che viene stampata completamente tridimensionale in un solo passaggio”, ha concluso il team nel loro articolo. “Ciò rende la prototipazione e la fabbricazione di dispositivi pneumatici basati su muscoli artificiali più veloci e semplici”.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Muscoli artificiali biomimetici stampati in 3D che utilizzano attuatori morbidi che si contraggono e si allungano “, di cui sono coautori Corrado De Pascali, Giovanna Adele Naselli, Stefano Palagi, Rob BN Scharff e Barbara Mazzolai.
