Muscoli dalla stampante

I ricercatori dell’Empa stanno lavorando su muscoli artificiali in grado di tenere il passo con quelli reali. Ora hanno sviluppato un metodo per produrre strutture morbide ed elastiche, ma potenti, utilizzando la stampa 3D. Un giorno, questi potrebbero essere utilizzati in medicina o robotica e in qualsiasi altro luogo in cui le cose devono muoversi con la semplice pressione di un pulsante.

 

 

 

I muscoli artificiali non si limitano a far muovere i robot: un giorno potrebbero supportare le persone al lavoro o quando camminano, o sostituire il tessuto muscolare ferito.

Tuttavia, lo sviluppo di muscoli artificiali che possono essere paragonati a quelli reali è una grande sfida tecnica.

Per stare al passo con le loro controparti biologiche, i muscoli artificiali non devono essere solo potenti, ma anche elastici e morbidi.

Fondamentalmente, i muscoli artificiali sono i cosiddetti attuatori: componenti che convertono gli impulsi elettrici in movimento.

Gli attuatori vengono utilizzati ovunque qualcosa si muova con la semplice pressione di un pulsante, a casa, nel motore di un’auto o in impianti industriali altamente sviluppati.

Tuttavia, questi duri componenti meccanici non hanno ancora molto in comune con i muscoli.

Un team di ricercatori del Laboratorio per i polimeri funzionali dell’Empa sta lavorando su attuatori realizzati con materiali morbidi.

Ora, per la prima volta, hanno sviluppato un metodo per produrre componenti così complessi utilizzando una stampante 3D.

I cosiddetti attuatori elastici dielettrici (DEA) sono costituiti da due diversi materiali a base di silicone: un materiale per elettrodi conduttivi e un dielettrico non conduttivo.

Questi materiali si incastrano a strati.

«È un po’ come intrecciare le dita», spiega Patrick Danner, ricercatore dell’Empa. Se agli elettrodi viene applicata una tensione elettrica, l’attuatore si contrae come un muscolo. Quando la tensione viene disattivata, si rilassa nella sua posizione originale.

Stampare in 3D una struttura del genere non è banale, Danner lo sa.

Nonostante le loro proprietà elettriche molto diverse, i due materiali morbidi dovrebbero comportarsi in modo molto simile durante il processo di stampa.

Non devono mescolarsi, ma devono comunque rimanere insieme nell’attuatore finito. I “muscoli” stampati devono essere il più morbidi possibile in modo che uno stimolo elettrico possa causare la deformazione richiesta.

A questo si aggiungono i requisiti che tutti i materiali stampabili in 3D devono soddisfare: devono liquefarsi sotto pressione in modo da poter essere estrusi dall’ugello della stampante.

Subito dopo, tuttavia, dovrebbero essere abbastanza viscosi da mantenere la forma stampata.

“Queste proprietà sono spesso in diretta contraddizione”, afferma Danner. “Se ne ottimizzi uno, ne cambiano altri tre… di solito in peggio”.

In collaborazione con i ricercatori dell’ETH di Zurigo, Danner e Dorina Opris, che dirige il gruppo di ricerca Functional Polymeric Materials, sono riusciti a conciliare molte di queste proprietà contraddittorie.

Due inchiostri speciali, sviluppati presso l’Empa, vengono stampati in attuatori morbidi funzionanti utilizzando un ugello sviluppato dai ricercatori dell’ETH Tazio Pleij e Jan Vermant.

La collaborazione fa parte del progetto su larga scala Manufhaptics, che fa parte del settore strategico Advanced Manufacturing del Settore dei PF.

L’obiettivo del progetto è quello di sviluppare un guanto che renda tangibili i mondi virtuali. I muscoli artificiali sono progettati per simulare la presa di oggetti attraverso la resistenza.

Tuttavia, ci sono molte più applicazioni potenziali per gli attuatori morbidi.

Sono leggeri, silenziosi e, grazie al nuovo processo di stampa 3D, possono essere modellati a seconda delle esigenze. Potrebbero sostituire gli attuatori convenzionali nelle automobili, nei macchinari e nella robotica.

Se venissero ulteriormente sviluppati, potrebbero essere utilizzati anche per applicazioni mediche.

Dorina Opris e Patrick Danner ci stanno già lavorando. Il loro nuovo processo può essere utilizzato per stampare non solo forme complesse, ma anche lunghe fibre elastiche.

“Se riusciamo a renderle un po’ più sottili, possiamo avvicinarci molto a come funzionano le vere fibre muscolari”, afferma Opris.

Il ricercatore ritiene che in futuro potrebbe essere possibile stampare un intero cuore da queste fibre. Tuttavia, c’è ancora molto da fare prima che un sogno del genere diventi realtà.