Muscoli artificiali? Si può fare!
Movimenti estremamente diversi, da scatti veloci e potenti a piccole e precise deformazioni del corpo, come quelle della mimica facciale: il tessuto muscolare umano possiede caratteristiche straordinarie e complesse che rendono particolarmente difficile riprodurlo artificialmente. Finora.
I ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova e della Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA) di Pisa, infatti, hanno presentato una classe di muscoli artificiali pneumatici, chiamati “attuatori basati su GeometRy che si contraggono e si allungano” (detti GRACE, acronimo dell’inglese GeometRy-based Actuators that Contract and Elongate).
Un risultato ottenuto nell’ambito degli studi della muscolatura animale previsti dal progetto europeo FET Proboscis e all’interno delle ricerche di robotica ispirata agli esseri viventi condotte dal Bioinspired Soft Robotics dell’IIT, in collaborazione con l’Istituto di BioRobotica della SSSA.
I GRACE possono contrarsi ed estendersi secondo un modello matematico e possono essere realizzati in diverse scale dimensionali e con diversi materiali e prestazioni meccaniche, consentendo un’ampia gamma di movimenti realistici sebbene, spiegano i ricercatori, «la versatilità e la grazia dei movimenti realizzati dalle complesse disposizioni dei muscoli rimangono in gran parte impareggiabili».
La sfida, infatti, era riuscire a replicare non tanto il movimento della singola fibra muscolare – che può solamente contrarsi – ma la complessa architettura in cui le fibre si integrano e che permette di dar vita alle cosiddette “deformazioni articolate”, ovvero la flessione, la torsione e i movimenti antagonistici.
I ricercatori hanno affrontato il problema partendo da singoli attuatori pneumatici, ciascuno dei quali può dilatarsi, allungarsi e accorciarsi grazie alla propria forma geometrica, una sorta di fuso con le pieghe, composta da un corpo unico, stampabile in 3D e realizzabile con diversi materiali e in diverse dimensioni. Diversi GRACE possono essere stampati direttamente assemblati tra loro in architetture complesse, così da soddisfare diverse esigenze di movimento.
«Le loro dimensioni sono limitate solo dalla tecnologia di fabbricazione adottata. Possono essere costruiti in diverse grandezze, e possiamo variare la loro performance, sia in termini di deformazioni che di forza, e fabbricarli con materiali e tecnologie diverse, anche direttamente integrati nelle strutture da attuare», ha spiegato Corrado De Pascali, primo autore dello studio – pubblicato su Science Robotics – e studente di dottorato nel laboratorio di Bioinspired Soft Robotics di IIT a Genova e all’Istituto di BioRobotica della SSSA di Pisa.
Le piccole dimensioni non significano scarsa resistenza: gli attuatori, infatti, sono disegnati in modo da poter sostenere oltre 1000 volte il loro peso. Tutto dipende dal materiale utilizzato e dallo spessore della membrana che li compone: le forze generate e le pressioni richieste possono essere aumentate o ridotte – mantenendo invariate le performance di contrazione ed estensione – grazie all’impiego di materiali più o meno rigidi e a membrane più o meno spesse.
Per mostrare le caratteristiche dei GRACE, i ricercatori hanno stampato una mano pneumatica utilizzando una stampante 3D commerciale e in unico processo di stampa. La mano, che pesa circa 100 grammi e ha dimensioni simili a quelle di una umana, è realizzata in una resina soffice ed è composta da 18 GRACE di dimensioni e forme diverse, integrati in modo tale che una semplice pressione di pochi decimi di bar è sufficiente per fare piegare le dita, torcere il palmo e ruotare il polso.
Gli attuatori GRACE, hanno concluso i ricercatori, «hanno le caratteristiche ideali per potere essere applicati in diverse soluzioni robotiche, in modo semplice e con costi molto contenuti. La loro semplicità di fabbricazione, li rende replicabili anche al di fuori dei laboratori di ricerca, come per esempio nei fab lab a disposizione dei makers».
