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Robot in grado di percepire il tatto e le differenze di temperatura? Un materiale inaspettato potrebbe renderlo realtà. Presso il Laboratorio per la ceramica ad alte prestazioni dell’Empa, i ricercatori stanno sviluppando materiali per sensori morbidi e intelligenti basati su particelle ceramiche.
La maggior parte delle persone pensa alle tazze da caffè, alle piastrelle del bagno o ai vasi di fiori quando sente la parola “ceramica”. Non così Frank Clemens.
Per il leader del gruppo di ricerca del Laboratorio per la ceramica ad alte prestazioni dell’Empa, la ceramica può condurre elettricità, essere intelligente e persino sentire.
Insieme al suo team, Clemens sta sviluppando materiali per sensori morbidi basati sulla ceramica.
Tali sensori possono “sentire” temperatura, deformazione, pressione o umidità, ad esempio, il che li rende interessanti per l’uso in medicina, ma anche nel campo della robotica morbida.
Ceramica morbida: come dovrebbe funzionare? Gli scienziati dei materiali come Clemens definiscono la ceramica come un materiale inorganico e non metallico prodotto da una raccolta di particelle sciolte in un processo ad alta temperatura noto come sinterizzazione.
La composizione della ceramica può variare e di conseguenza le sue proprietà cambiano.
Ma la terracotta e la porcellana non si vedono da nessuna parte nel laboratorio di Clemens.
I ricercatori lavorano con materiali come il niobato di sodio di potassio e l’ossido di zinco, ma anche con particelle di carbonio.
Nessuno di questi materiali è morbido. Per trasformarli in sensori flessibili, i ricercatori incorporano particelle di ceramica in plastica estensibile.
“Lavoriamo con i cosiddetti sistemi ad alta riempimento”, afferma Clemens. “Prendiamo una matrice fatta di un materiale termoplastico e la riempiamo con il maggior numero possibile di particelle di ceramica senza compromettere l’elasticità della matrice”.
Se questa matrice altamente riempita viene poi allungata, compressa o esposta a fluttuazioni di temperatura, la distanza tra le particelle ceramiche cambia e con essa la conducibilità elettrica del sensore.
Non è necessario riempire l’intera matrice con ceramica, sottolinea Clemens: utilizzando la stampa 3D, i ricercatori possono anche incorporare i sensori in ceramica come una sorta di “nervi” in componenti flessibili.
La produzione di sensori in ceramica morbida non è banale. Di solito, i sensori morbidi sono sensibili a diverse influenze ambientali contemporaneamente, come temperatura, deformazione e umidità.
“Se vuoi usarli nella pratica, devi sapere cosa stai misurando”, afferma Clemens. Il suo gruppo di ricerca è riuscito a produrre sensori morbidi che reagiscono in modo molto selettivo solo alla pressione o solo alla temperatura.
I ricercatori hanno integrato questi sensori in una mano protesica. La protesi “percepisce” la flessione delle dita e si accorge quando tocca una superficie calda. Tale “sensibilità” sarebbe un vantaggio sia per gli strumenti di presa robotici che per le protesi umane.
Il team dell’Empa ha fatto un ulteriore passo avanti con lo sviluppo di una morbida “pelle robotica”. Simile alla pelle umana, la pelle di plastica multistrato reagisce al tatto e alle differenze di temperatura.
Per valutare i dati complessi, i ricercatori dell’Empa hanno sviluppato un modello di intelligenza artificiale insieme ai ricercatori dell’Università di Cambridge e lo hanno addestrato utilizzando i dati di circa 4.500 misurazioni.
Questo ricorda anche la percezione umana, poiché gli impulsi nervosi della nostra pelle vengono valutati ed estrapolati nel cervello.
Nel loro progetto più recente, i ricercatori sono stati in grado di combinare i sensori in ceramica con i muscoli artificiali. Insieme ai ricercatori dell’ETH di Zurigo e dell’Università di Tokyo, hanno sviluppato un robot bio-ibrido che riconosce il suo stato di contrazione con l’aiuto di un sensore piezoresistivo morbido, biocompatibile e integrato nei tessuti. Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Advanced Intelligent Systems.
Collaborazione sicura tra uomo e macchina
L’obiettivo, afferma Frank Clemens, è che gli esseri umani e le macchine lavorino insieme in modo sicuro e armonioso. “I sistemi robotici di oggi sono grandi, goffi e molto resistenti. Possono essere pericolosi per l’uomo”, spiega il ricercatore.
Se in futuro vogliamo condividere sempre più spesso i nostri luoghi di lavoro con i robot, questi dovrebbero reagire rapidamente e in modo sensibile al tocco. “Se tocchi accidentalmente un’altra persona, ti allontani automaticamente”, afferma Clemens.
“Vogliamo dare ai robot lo stesso riflesso”. I ricercatori sono ora alla ricerca di partner industriali nel campo dei sistemi di presa robotizzati.
Ma i sensori morbidi sono richiesti anche in medicina: il team ha recentemente portato a termine un progetto di Innosuisse con l’azienda IDUN Technologies, in cui ha prodotto elettrodi flessibili per la misurazione delle onde cerebrali.
Il lavoro è tutt’altro che finito: i ricercatori vogliono rendere i loro sensori in ceramica morbida ancora più sensibili e intelligenti. Ciò comporta la combinazione di nuovi materiali ceramici e polimeri morbidi.
