Un tempo i robot erano limitati al sollevamento di carichi pesanti o ai lavori di precisione nelle fabbriche. Ora l'agile robot a quattro zampe di Boston Dynamics, Individuare, è disponibile per le aziende in leasing per svolgere vari lavori del mondo reale, un segno di quanto siano diventate comuni le interazioni tra uomo e macchina negli ultimi anni.

E mentre Spot è versatile e robusto, è ciò che la società considera un robot tradizionale, un mix di metallo e plastica dura. Molti ricercatori sono convinti che i robot morbidi in grado di interagire fisicamente con le persone, ad esempio, fornendo assistenza domiciliare afferrando e spostando oggetti, si uniranno ai robot duri per popolare il futuro.

Robotica morbida e computer indossabili, entrambe le tecnologie che sono sicure per l'interazione umana, richiederà nuovi tipi di materiali che siano morbidi ed elastici e svolgano un'ampia varietà di funzioni. Io e i miei colleghi del Soft Machines Lab della Carnegie Mellon University sviluppiamo questi materiali multifunzionali. Insieme ai collaboratori, abbiamo recentemente sviluppato uno di questi materiali che combina in modo univoco le proprietà dei metalli, gomme morbide e materiali a memoria di forma.

Questi morbidi materiali multifunzionali, come li chiamiamo noi, condurre elettricità, rilevare i danni e curarsi. Possono anche percepire il tatto e cambiare forma e rigidità in risposta alla stimolazione elettrica, come un muscolo artificiale. In molti modi, è ciò che i ricercatori pionieristici Kaushik Bhattacharya e Richard James hanno descritto:"il materiale è la macchina".

Rendere intelligenti i materiali

Questa idea che il materiale sia la macchina può essere catturata nel concetto di intelligenza incarnata. Questo termine è solitamente usato per descrivere un sistema di materiali che sono interconnessi, come i tendini del ginocchio. Durante l'esecuzione, i tendini possono allungarsi e rilassarsi per adattarsi ogni volta che il piede tocca il suolo, senza la necessità di alcun controllo neurale.

È anche possibile pensare all'intelligenza incarnata in un singolo materiale, uno che può percepire, elaborare e rispondere al suo ambiente senza dispositivi elettronici incorporati come sensori e unità di elaborazione.

Un semplice esempio è la gomma. A livello molecolare, la gomma contiene stringhe di molecole che sono avvolte e collegate tra loro. L'allungamento o la compressione della gomma muove e svolge le corde, ma i loro collegamenti costringono la gomma a rimbalzare nella sua posizione originale senza deformarsi in modo permanente. La capacità della gomma di "conoscere" la sua forma originale è contenuta all'interno della struttura del materiale.

Poiché i materiali ingegnerizzati del futuro adatti all'interazione uomo-macchina richiederanno multifunzionalità, i ricercatori hanno cercato di costruire nuovi livelli di intelligenza incarnata, oltre al semplice allungamento, in materiali come la gomma. Recentemente, i miei colleghi hanno creato circuiti di autoguarigione incorporati nella gomma.

Hanno iniziato disperdendo goccioline di metallo liquido in microscala avvolte in una "pelle" elettricamente isolante attraverso la gomma siliconica. Nel suo stato originale, il sottile strato di ossido di metallo della pelle impedisce alle goccioline di metallo di condurre elettricità.

Però, se la gomma annegata nel metallo è sottoposta a una forza sufficiente, le goccioline si romperanno e si uniranno per formare percorsi elettricamente conduttivi. Eventuali linee elettriche stampate in quella gomma diventano autorigeneranti. In uno studio separato, hanno dimostrato che il meccanismo di autoguarigione potrebbe essere utilizzato anche per rilevare i danni. Nuove linee elettriche si formano nelle aree danneggiate. Se passa un segnale elettrico, che indica il danno.

La combinazione di metallo liquido e gomma ha dato al materiale una nuova via per percepire ed elaborare il suo ambiente, cioè, una nuova forma di intelligenza incarnata. Il riarrangiamento del metallo liquido consente al materiale di "sapere" quando si è verificato un danno a causa di una risposta elettrica.

La memoria di forma è un altro esempio di intelligenza incorporata nei materiali. Significa che i materiali possono cambiare in modo reversibile in una forma prescritta. I materiali a memoria di forma sono buoni candidati per il movimento lineare nella robotica morbida, in grado di muoversi avanti e indietro come il muscolo bicipite. Ma offrono anche capacità uniche e complesse di cambiare forma.

Per esempio, due gruppi di scienziati dei materiali hanno recentemente dimostrato come una classe di materiali potrebbe trasformarsi in modo reversibile da un foglio piatto simile alla gomma in una mappa topografica 3D di una faccia. È un'impresa che sarebbe difficile con i motori e gli ingranaggi tradizionali, ma è semplice per questa classe di materiali a causa dell'intelligenza incarnata del materiale. I ricercatori hanno utilizzato una classe di materiali noti come elastomeri a cristalli liquidi, che a volte sono descritti come muscoli artificiali perché possono estendersi e contrarsi con l'applicazione di uno stimolo come il calore, leggero, o elettricità.

Mettere tutto insieme

Traendo ispirazione dal composito di metallo liquido e dal materiale che trasforma la forma, io e i miei colleghi abbiamo recentemente creato un composito morbido con una multifunzionalità senza precedenti.

È morbido ed elastico, e può condurre calore ed elettricità. Può cambiare attivamente la sua forma, a differenza della gomma normale. Poiché il nostro composito conduce facilmente elettricità, lo shape-morphing può essere attivato elettricamente. Poiché è morbido e deformabile, è anche resistente a danni significativi. Poiché può condurre elettricità, il composito può interfacciarsi con l'elettronica tradizionale e rispondere dinamicamente al tocco.

Per di più, il nostro composito può guarire se stesso e rilevare i danni in un modo completamente nuovo. Il danno crea nuove linee elettricamente conduttive che attivano la trasformazione della forma nel materiale. Il composito risponde contraendosi spontaneamente quando viene perforato.

Nel film "Terminator 2:Il giorno del giudizio", "l'androide mutaforma T-1000 può liquefarsi; può cambiare forma, colore, e consistenza; è immune a danni meccanici; e mostra una forza sovrumana. Un robot così complesso richiede materiali multifunzionali complessi. Ora, materiali in grado di percepire, elaborare e rispondere al loro ambiente come questi compositi che si trasformano in forma stanno iniziando a diventare una realtà.

Ma a differenza del T-1000, questi nuovi materiali non sono una forza per il male:stanno aprendo la strada a dispositivi di assistenza morbida come protesi, robot compagni, tecnologie di esplorazione remota, antenne che possono cambiare forma e molte altre applicazioni che gli ingegneri non hanno ancora nemmeno immaginato.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.