Dalla loro invenzione alla fine del 1700, quando il fisico britannico di origine francese Denis Papin, l'inventore della pentola a pressione, proposto il principio del pistone, i pistoni sono stati utilizzati per sfruttare la potenza dei fluidi per eseguire lavori in numerose macchine e dispositivi.

I pistoni convenzionali sono costituiti da una camera rigida e un pistone all'interno, che può scorrere lungo la parete interna della camera mantenendo allo stesso tempo una tenuta ermetica. Di conseguenza, il pistone divide due spazi, che sono riempiti con due fluidi e collegati a due sorgenti di fluido esterne. Se i fluidi hanno pressioni diverse, il pistone scivolerà nella direzione con la pressione più bassa e può allo stesso tempo guidare il movimento di un albero o altro dispositivo per svolgere un lavoro fisico. Questo principio è stato utilizzato per progettare molte macchine, compresi vari motori a pistoni, sollevatori e gru idrauliche come quelle utilizzate nei cantieri, e utensili elettrici.

Però, i pistoni convenzionali presentano diversi inconvenienti:l'elevato attrito tra il pistone in movimento e la parete della camera può portare alla rottura della guarnizione, perdita, e malfunzionamenti graduali o improvvisi. Inoltre, soprattutto nello spettro di pressione inferiore, l'efficienza energetica e la velocità di risposta spesso sono limitate.

Ora, un team di roboticisti del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard, la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e il Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato un nuovo modo di progettare pistoni che sostituisce i loro elementi rigidi convenzionali con un meccanismo che utilizza strutture comprimibili all'interno di una membrana realizzata con materiali morbidi.

I risultanti "pistoni di tensione" generano più di tre volte la forza dei pistoni convenzionali comparabili, eliminare gran parte dell'attrito, e a basse pressioni sono fino al 40% più efficienti dal punto di vista energetico. Lo studio è pubblicato su Materiali funzionali avanzati .

"Questi "pistoni di tensione" fabbricati con strutture che incorporano morbide, i materiali flessibili sono un approccio fondamentalmente nuovo all'architettura del pistone, che aprono un ampio spazio progettuale. Potrebbero essere lasciati cadere nelle macchine, sostituzione dei pistoni convenzionali, fornendo una migliore efficienza energetica, ", ha affermato Wood, membro fondatore della facoltà di base del Wyss Institute e co-autore corrispondente, dottorato di ricerca, che è anche il Charles River Professor di Ingegneria e Scienze Applicate presso SEAS e co-responsabile della Bioinspired Soft Robotics Initiative del Wyss Institute. "È importante che questo concetto consente anche una gamma di nuove geometrie e variazioni funzionali che possono consentire agli ingegneri di inventare nuove macchine e dispositivi e di miniaturizzare quelli esistenti".

Wood ha condotto lo studio insieme a Daniela Rus, dottorato di ricerca, Professore e Direttore del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT e Shuguang Li, dottorato di ricerca, un borsista post-dottorato guidato da Wood e Rus.

Il concetto del pistone di tensione si basa sui "muscoli artificiali ispirati agli origami" (FOAM) del team che utilizzano materiali morbidi per dare ai robot morbidi più potenza e controllo del movimento pur mantenendo le loro architetture flessibili. Le SCHIUME sono costituite da una struttura piegata che è incorporata all'interno di un fluido in una pelle flessibile ed ermeticamente sigillata. La modifica della pressione del fluido attiva la struttura simile a un origami per aprirsi o collassare lungo un percorso geometrico preconfigurato, che induce un mutamento di forma in tutta la SCHIUMA, permettendogli di afferrare o rilasciare oggetti o di eseguire altri tipi di lavoro.

"In linea di principio, abbiamo esplorato l'uso di FOAM come pistoni all'interno di una camera rigida, " ha detto Li. "Utilizzando una membrana flessibile legata a una struttura scheletrica comprimibile all'interno, e collegandolo ad una delle due porte del fluido, possiamo creare un compartimento fluido separato che esibisca la funzionalità di un pistone."

I ricercatori hanno dimostrato che un aumento della pressione di guida nel secondo serbatoio di fluido che circonda la membrana nella camera aumenta le forze di tensione nel materiale della membrana che vengono trasmesse direttamente alla struttura scheletrica legata. Collegando fisicamente lo scheletro con un elemento di azionamento che fuoriesce dalla camera, la compressione dello scheletro è accoppiata ad un movimento meccanico esterno al pistone.

"Pistoni migliori potrebbero trasformare radicalmente il modo in cui progettiamo e utilizziamo molti tipi di sistemi, da ammortizzatori e motori per auto a bulldozer e attrezzature minerarie, "dice Rus, l'Andrea (1956) ed Erna Viterbi Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica al MIT. "Pensiamo che un approccio come questo potrebbe aiutare gli ingegneri a escogitare modi diversi per rendere le loro creazioni più forti e più efficienti dal punto di vista energetico".

Il team ha testato il loro pistone contro un pistone convenzionale in un compito di frantumazione di oggetti, e ha mostrato che rompeva oggetti come matite di legno a pressioni di ingresso molto più basse (pressioni generate nel compartimento fluido che circonda la pelle). A parità di pressioni in ingresso, in particolare nel campo di pressione inferiore, i pistoni di tensione hanno sviluppato forze di uscita più di tre volte maggiori e mostrano un'efficienza energetica superiore di oltre il 40% sfruttando la tensione indotta dal fluido nei loro materiali flessibili della pelle.

"Configurando gli scheletri comprimibili con geometrie molto diverse come una serie di dischi discreti, come scheletri incernierati, o come scheletri primaverili, le forze e i movimenti in uscita diventano altamente sintonizzabili, " ha detto Li. "Possiamo anche incorporare più di un pistone di tensione in una singola camera, o fare un ulteriore passo avanti e fabbricare anche la camera circostante con un materiale flessibile come un tessuto di nylon a tenuta d'aria."