A differenza dei tradizionali bracci robotici con giunti incernierati e girevoli, i nuovi bracci flessibili sviluppati dal professor Stefan Seelecke e dal suo gruppo di ricerca presso la Saarland University sono costruiti utilizzando muscoli realizzati con fili a memoria di forma che hanno la capacità di piegarsi in quasi tutte le direzioni e di avvolgersi intorno agli angoli.

I bracci flessibili sono alimentati elettricamente e quindi possono fare a meno delle solite attrezzature pneumatiche o altri accessori ingombranti. Poiché la stessa lega a memoria di forma ha proprietà sensoriali, i bracci possono essere controllati senza la necessità di sensori aggiuntivi. La nuova tecnologia può essere utilizzata per costruire grandi braccia robotiche con la flessibilità della proboscide di un elefante o tentacoli ultrasottili da utilizzare in operazioni endoscopiche.

Dal 1 al 5 aprile, il team di ricerca sarà ad Hannover Messe, dove utilizzeranno i prototipi per dimostrare le capacità dei bracci a memoria di forma presso lo stand di ricerca e innovazione del Saarland. Il team di Seelecke è alla ricerca di partner interessati a sviluppare la tecnologia per applicazioni pratiche.

Esistono limiti funzionali alla flessibilità dei bracci umani e robotici. Le articolazioni sono spesso ingombranti e collegano ossa rigide o assemblaggi meccanici. Il movimento è tipicamente limitato a determinate direzioni spaziali. In contrasto, una proboscide di elefante e tentacoli di polpo offrono un'agilità molto maggiore. La presenza di decine di migliaia di muscoli consente a queste creature di muovere il tronco o il tentacolo in tutte le direzioni, piegarlo al giusto grado e afferrare le cose con grande potenza. Gli ingegneri della Saarland University hanno tratto ispirazione da questi modelli naturali e stanno sviluppando bracci robotici che eliminano la necessità di articolazioni o scheletri o strutture rigide, creando strutture leggere ed estremamente flessibili.

Il professor Stefan Seelecke e il suo team stanno collaborando con i ricercatori dell'Università tecnica di Darmstadt per sviluppare sottili, tentacoli artificiali controllati con precisione. In futuro, il sistema potrebbe trovare impiego come filo guida in cardiochirurgia o come endoscopio in procedure gastroscopiche e colonscopiche. I ricercatori stanno quindi dotando i tentacoli artificiali di funzioni aggiuntive come una pinza o una punta con rigidità regolabile che fornisce una forza di spinta migliorata. Ma la tecnologia può anche essere ampliata per produrre grandi bracci robotici non dissimili dalla proboscide di un elefante.

La flessibilità di questi nuovi bracci robotici deriva dai muscoli artificiali utilizzati dal team di ricerca di Saarbrücken. Questi muscoli sono composti da fili ultrafini di nichel-titanio (nitinolo) che si contraggono e si allungano in modo controllato. I fili di nitinol ultrasottili si contraggono come veri muscoli, a seconda che ci sia o meno corrente elettrica.

"Il nichel-titanio è ciò che è noto come una lega a memoria di forma, il che significa che è in grado di tornare alla sua forma originale dopo essere stato deformato. Se una corrente elettrica scorre attraverso un filo di nitinol, il materiale si riscalda, facendogli assumere una struttura cristallina diversa con il risultato che il filo si accorcia. Se viene tolta la corrente, il filo si raffredda e si allunga di nuovo, " spiega il professor Seelecke.

Il suo team presso l'Intelligent Material Systems Lab della Saarland University ha creato fasci di questi fili che agiscono come fibre muscolari artificiali. "Più fili ultrasottili forniscono un'ampia superficie attraverso la quale possono trasferire calore, il che significa che si contraggono più rapidamente. I fili hanno la più alta densità di energia di tutti i meccanismi di azionamento conosciuti. E possono esercitare una forza di trazione molto elevata su una breve distanza, " spiega Seelecke, che conduce anche ricerche presso ZeMA, il Centro per la meccatronica e la tecnologia dell'automazione a Saarbrücken. Il team di ricerca di ZeMA sta sviluppando una gamma di applicazioni per questi fili, da nuovi sistemi di raffreddamento a nuovi tipi di valvole e pompe.

Per i bracci robotici, i ricercatori collegano i fasci di fili in modo che agiscano come muscoli flessori o estensori, quale, lavorare in concerto, produrre un movimento fluido. "I tentacoli che potrebbero essere utilizzati in futuro come cateteri medici o nelle procedure endoscopiche hanno diametri di soli 300-400 micrometri. Nessun altro sistema di azionamento è di dimensioni comparabili. I sistemi precedenti utilizzati per le procedure di catetere erano significativamente più grandi e questo tendeva a limitare le loro capacità, " spiega Paul Motzki, che ha scritto la sua tesi di dottorato sui fili a memoria di forma ed è assistente di ricerca nel gruppo del professor Seelecke.

I nuovi tentacoli possono essere controllati in modo molto preciso e possono essere utilizzati per creare strumenti multifunzionali. Per esempio, si può fare in modo che la punta distale del tentacolo esegua un movimento di spinta. L'esatto modello di movimento richiesto viene modellato dai ricercatori e quindi programmato su un chip a semiconduttore. E il sistema non ha bisogno di altri sensori. I fili stessi forniscono tutti i dati necessari. "Il materiale con cui sono realizzati i fili ha proprietà sensoriali. L'unità di controllo è in grado di interpretare i dati di resistenza elettrica in modo da conoscere l'esatta posizione e l'orientamento dei fili in qualsiasi momento, "dice Paul Motzki.

A differenza dei tradizionali bracci robotici che richiedono energia da un motore elettrico o da un sistema pneumatico o idraulico, le armi non hanno bisogno di tali attrezzature pesanti, solo corrente elettrica. "Questo rende il sistema leggero, altamente adattabile e silenzioso da usare, e significa che i costi di produzione sono relativamente bassi, " afferma il professor Seelecke. Il team di ricerca esporrà i propri prototipi di sistema all'Hannover Messe e dimostrerà il potenziale di questi nuovi bracci robotici continui.