Un team interdisciplinare di scienziati e ingegneri dell'Università del Minnesota Twin Cities ha sviluppato un processo di estrusione ispirato alle piante unico nel suo genere che consente la crescita di materiale sintetico. Il nuovo approccio consentirà ai ricercatori di costruire robot morbidi migliori in grado di navigare in luoghi difficili da raggiungere, terreni complicati e potenzialmente aree all'interno del corpo umano.

L'articolo è pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), una rivista scientifica peer-reviewed, multidisciplinare e di grande impatto.

"Questa è la prima volta che questi concetti sono stati fondamentalmente dimostrati", ha affermato Chris Ellison, autore principale dell'articolo e professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota Twin Cities. "Lo sviluppo di nuove modalità di produzione è fondamentale per la competitività del nostro Paese e per portare nuovi prodotti alle persone. Dal lato robotico, i robot vengono utilizzati sempre di più in ambienti pericolosi e remoti, e questi sono i tipi di aree in cui funziona potrebbe avere un impatto."

La robotica morbida è un campo emergente in cui i robot sono realizzati con materiali morbidi e flessibili anziché rigidi. I robot a crescita morbida possono creare nuovo materiale e "crescere" mentre si muovono. Queste macchine potrebbero essere utilizzate per operazioni in aree remote dove gli esseri umani non possono recarsi, come ispezionare o installare tubi sotterranei o navigare all'interno del corpo umano per applicazioni biomediche.

Gli attuali robot a crescita morbida trascinano dietro di sé una scia di materiale solido e possono utilizzare il calore e/o la pressione per trasformare quel materiale in una struttura più permanente, proprio come una stampante 3D viene alimentata con un filamento solido per produrre il suo prodotto sagomato. Tuttavia, la scia di materiale solido diventa più difficile da percorrere in curve e curve, rendendo difficile per i robot navigare su terreni con ostacoli o percorsi tortuosi.

Il team dell'Università del Minnesota ha risolto questo problema sviluppando un nuovo mezzo di estrusione, un processo in cui il materiale viene spinto attraverso un'apertura per creare una forma specifica. L'utilizzo di questo nuovo processo consente al robot di creare il suo materiale sintetico da un liquido anziché da un solido.

"Siamo stati davvero ispirati da come crescono piante e funghi", ha affermato Matthew Hausladen, primo autore del documento e dottore di ricerca. studente presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali dell'Università del Minnesota Twin Cities. "Abbiamo preso l'idea che piante e funghi aggiungano materiale all'estremità dei loro corpi, sia sulle punte delle radici che sui nuovi germogli, e l'abbiamo tradotto in un sistema ingegneristico."

Le piante usano l'acqua per trasportare i mattoni che si trasformano in solide radici man mano che la pianta cresce verso l'esterno. I ricercatori sono stati in grado di imitare questo processo con materiale sintetico utilizzando una tecnica chiamata fotopolimerizzazione, che utilizza la luce per trasformare i monomeri liquidi in un materiale solido. Utilizzando questa tecnologia, il robot morbido può navigare più facilmente tra ostacoli e percorsi tortuosi senza dover trascinare alcun materiale solido dietro di esso.

Questo nuovo processo ha applicazioni anche nella produzione. Poiché la tecnica dei ricercatori utilizza solo liquido e luce, potrebbero non essere necessarie operazioni che utilizzano calore, pressione e macchinari costosi per creare e modellare i materiali.

"Una parte molto importante di questo progetto è che abbiamo scienziati dei materiali, ingegneri chimici e ingegneri robotici tutti coinvolti", ha detto Ellison. "Mettendo insieme tutte le nostre diverse competenze, abbiamo davvero portato qualcosa di unico in questo progetto e sono fiducioso che nessuno di noi avrebbe potuto farlo da solo. Questo è un ottimo esempio di come la collaborazione consente agli scienziati di affrontare fondamentali davvero difficili problemi pur avendo anche un impatto tecnologico."

Oltre a Ellison e Hausladen, il gruppo di ricerca comprendeva i ricercatori del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota Boran Zhao (ricercatore post-dottorato) e Lorraine Francis (distinguished Professor al College of Science and Engineering); e i ricercatori del Dipartimento di ingegneria meccanica dell'Università del Minnesota, Tim Kowalewski (professore associato) e Matthew Kubala (studente laureato). + Esplora ulteriormente

Gli idrogel aprono la strada al futuro della robotica morbida