La soft robotics, andando oltre la rigida struttura dei robot tradizionali, si occupa della messa a punto di robot dai materiali leggeri, deformabili, capaci di interagire con gli esseri umani e l’ambiente circostante. Ebbene, i ricercatori della Northwestern University sono andati oltre: hanno sviluppato una struttura particolarmente morbida, priva di hardware, che si comporta come un robot e il cui scheletro in nichel risponde a campi magnetici esterni.

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• La soft robotics, superando la rigida struttura dei robot tradizionali, si occupa della costruzione di robot dai materiali morbidi, deformabili, leggeri, capaci di interagire con gli esseri umani e l’ambiente circostante.
• I ricercatori della Northwestern University sono andati oltre, sviluppando una struttura molto morbida, priva di hardware, che si comporta come un robot e il cui scheletro in nichel risponde a campi magnetici esterni.
• Il segreto del movimento preciso e dell’agilità di questi micro robot risiede nella loro struttura piena d’acqua e nello scheletro composto da filamenti di nichel allineati e ferromagnetici.
• Un giorno, materiali robotici di questo tipo potrebbero essere utilizzati come sistemi microscopici intelligenti, ad esempio nell’ambito della produzione di combustibili e farmaci, della pulizia dell’ambiente o in procedure mediche trasformative.

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La soft robotics è quel segmento della robotica che, superando la rigida struttura dei robot tradizionali, si occupa dello sviluppo e della costruzione di robot dai materiali morbidi, deformabili, leggeri, capaci di interagire con gli esseri umani e l’ambiente circostante.

I ricercatori della Northwestern University, nello Stato dell’Illinois (Stati Uniti), sono andati oltre: hanno sviluppato una struttura molto morbida, priva di hardware, che si comporta come un robot, in grado di muoversi con precisione e agilità, il cui scheletro in nichel risponde a campi magnetici esterni.

Simile a un polpo a quattro zampe, questo particolare soft robot dalle dimensioni micro funziona all’interno di una vasca piena d’acqua e, in futuro, potrebbe essere progettato in ambito medicale, per riconoscere e rimuovere attivamente particelle indesiderate in ambienti specifici, oppure, sfruttando i suoi movimenti meccanici e la locomozione, per fornire con precisione bio-terapie a tessuti mirati.

Spiega Samuel I. Stupp, professore di Scienze dei materiali, chimica e medicina presso la Northwestern, a capo della ricerca:

“I robot convenzionali sono macchine pesanti, con molto hardware ed elettronica a bordo, non in grado di interagire in modo sicuro con strutture morbide, inclusi gli esseri umani. Nell’ambito della nostra ricerca, invece, abbiamo progettato materiali morbidi dotati di intelligenza molecolare, capaci di comportarsi come robot e di svolgere funzioni utili in spazi ristretti, sott’acqua o sottoterra“

Ma entriamo nel vivo della ricerca.

Soft robotics, la ricerca della Northwestern University

Lo studio – dal titolo “Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields” e pubblicato il 9 dicembre sulla rivista Science Robotics – si basa, in realtà, su un lavoro precedente di Samuel I. Stupp, ideato per progettare “materia soffice robotica” ispirata alle creature marine.

In questo studio precedente sulla soft robotics, pubblicato all’inizio del 2020, il materiale robotico sviluppato era in grado di piegarsi molto lentamente e di strisciare su una superficie compiendo un passo ogni dodici ore. La svolta della recente ricerca, invece, consente al robot di camminare alla velocità umana – circa un passo al secondo – e di rispondere ai campi magnetici seguendo traiettorie specifiche.

Lavorando sulle diverse reazioni del robot alla luce e ai campi magnetici, i ricercatori hanno progettato una “creatura sintetica” capace anche di raccogliere oggetti e di consegnarli a destinazione, camminando oppure rotolando. E, una volta lasciato il carico nella nuova posizione, è in grado di cambiare forma, consentendo – eventualmente – ad altri oggetti di scivolare delicatamente. Il micro robot progettato è altresì in grado di eseguire una “break dance” rotante, per rimuovere e rilasciare quegli oggetti più appiccicosi, difficili da fare scivolare.

Osserva Stupp:

“Il design dei nuovi materiali che imitano le creature viventi, consente non solo una risposta più rapida, ma anche l’esecuzione di funzioni più sofisticate. Ora siamo in grado di cambiare la forma e di aggiungere gambe a queste piccole creature sintetiche. E di dare a questi materiali privi di vita nuove andature e comportamenti più intelligenti. Il che li rende altamente versatili e adatti a compiti diversi“

Il segreto del movimento preciso e dell’agilità di questi micro robot risiede nella loro struttura piena d’acqua e nello scheletro composto da filamenti di nichel allineati e ferromagnetici. La componente morbida è data da una rete progettata molecolarmente, con parti che gli consentono di rispondere alla luce, di trattenere (o di espellere) l’acqua al suo interno oppure di assumere la giusta rigidità per rispondere rapidamente ai campi magnetici.

Il gruppo di studio, per programmare le molecole all’interno dell’idrogel a rispondere alla luce, ha utilizzato la sintesi chimica. Quando vengono esposte alla luce, le molecole del robot diventano idrofobe (respingono l’acqua), provocando la fuoriuscita delle molecole d’acqua. Questa conversione fa sì che il robot “prenda vita”, passando dalla posizione piatta a quella eretta.

I ricercatori hanno scoperto che questa flessione consente al materiale di rispondere rapidamente ai campi magnetici rotanti, attivando la sua capacità di camminare velocemente: quando la luce si spegne, le molecole tornano al loro stato originale e il robot diventa piatto, ma è pronto in qualsiasi momento a un nuovo ciclo di attività sotto un campo magnetico, quando richiesto da un LED.

Quando esposto a campi magnetici rotanti, lo scheletro incorporato nel robot esercita forze cicliche sulla rete molecolare morbida e attiva le gambe. Il campo rotante può essere anche programmato per guidare il robot lungo un percorso predeterminato.

“Usando la teoria e il calcolo, siamo in grado di calcolare la risposta alla luce e ai campi magnetici. E questo ci consente di prevedere e programmare le traiettorie del cammino con grande precisione” spiega Monica Olvera de la Cruz, professoressa di Scienze dei materiali e ingegneria presso la Northwestern University e membro del team di studio che ha condotto la ricerca su questa particolare tipologia di soft robotics.

Le applicazioni future della soft robotics micro e dai materiali morbidi e flessibili

Un giorno, materiali robotici di questo tipo potrebbero essere utilizzati come sistemi microscopici intelligenti, ad esempio nell’ambito della produzione di combustibili e farmaci, della pulizia dell’ambiente o in procedure mediche trasformative.

In particolare, Samuel I. Stupp e Monica Olvera de la Cruz immaginano che questo genere di soft robotics dai materiali così morbidi e flessibili possa essere utilizzato per creare oggetti destinati a molte applicazioni, inclusa la produzione chimica, l’ambiente oppure come biomateriali intelligenti per la medicina di precisione.

“Vorremmo poter creare eserciti di micro robot di questi tipo, capaci di svolgere un compito complicato in modo coordinato. E, dopo questa ricerca, siamo ormai in grado di modificare molecolarmente questi materiali robotici, al punto da farli interagire tra loro e imitare lo sciame di uccelli o i banchi di pesci nell’oceano. La loro versatilità molecolare potrebbe portare ad applicazioni future che, in questo momento, nemmeno immaginiamo”

ha concluso Stupp.