Negli ultimi anni, robotici e scienziati dei materiali di tutto il mondo hanno cercato di creare sistemi artificiali che assomiglino a parti del corpo umano e ne riproducano le funzioni. Questi includono pelli artificiali, strati protettivi che potrebbero anche migliorare le capacità di rilevamento dei robot.

I ricercatori della Donghua University in Cina e del Jülich Center for Neutron Science (JCNS) in Germania hanno recentemente sviluppato una nuova pelle ionica artificiale altamente promettente basata su una nanorete elastica autoriparabile, una struttura intrecciata che ricorda la pelle umana. Questa pelle artificiale, presentata in un articolo pubblicato su Nature Communications , è morbido, non affaticato e autorigenerante.

"Come sappiamo, la pelle è l'organo più grande del corpo umano, che funge sia da strato protettivo che da interfaccia sensoriale per mantenere il nostro corpo sano e percettivo", ha detto a TechXplore Shengtong Sun, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio . "Con il rapido sviluppo dell'intelligenza artificiale e della robotica morbida, i ricercatori stanno attualmente cercando di rivestire i robot umanoidi con una 'pelle artificiale' che replichi tutte le proprietà meccaniche e sensoriali della pelle umana, in modo che anche loro possano percepire l'ambiente esterno in continua evoluzione come noi ."

Poiché la pelle umana è un sistema altamente complesso e sofisticato, imitare tutte le sue funzioni può essere estremamente impegnativo. Ad esempio, la pelle umana può percepire una varietà di cambiamenti ambientali, tra cui pressione, deformazione della sua superficie e variazioni di temperatura, semplicemente captando segnali elettronici basati su ioni.

"La pelle umana è morbida, ma diventa molto soda quando viene allungata", ha detto Sun. "La pelle può anche guarire naturalmente le ferite in pochi giorni, riparando completamente la sua struttura e le sue funzioni. Ancora più importante, oltre circa 1 milione di cicli di deformazioni all'anno insieme ai movimenti del corpo, le proprietà della pelle non si degraderanno, suggerendo ottime proprietà anti-fatica ."

Sebbene gli scienziati dei materiali abbiano recentemente ideato diverse pelli artificiali, denominate anche pelli elettroniche o ioniche, la maggior parte di questi sistemi può riprodurre solo una parte degli attributi naturali della pelle. Sun e i suoi colleghi hanno cercato di progettare materiali più simili alla pelle e realistici per diversi anni.

"Durante i nostri studi, abbiamo notato che la pelle combina diverse proprietà intriganti da una struttura nanofibrosa gerarchica, che è definita da un'impalcatura di fibrille di collagene rigida incorporata nella morbida matrice di elastina intrecciata", ha detto Sun. "Queste due fasi non solo guariscono con l'aiuto dei fibroblasti cutanei sulla ferita, ma conferiscono anche un'elevata resistenza alla frattura alla pelle umana bloccando il danno alle nanofibrille di collagene duro".

Traendo ispirazione dalla struttura naturale della pelle, i ricercatori hanno deciso di progettare una nuova pelle artificiale basata su una nanorete autoriparabile e una matrice ionica, in grado di replicare rispettivamente le funzioni del collagene e dell'elastina. Ciò ha prodotto un materiale simile alla pelle che è morbido ma diventa compatto quando viene allungato, una proprietà nota come "irrigidimento della deformazione". Inoltre, la loro pelle artificiale può guarire autonomamente dopo essere stata danneggiata, è resistente alla fatica e risponde rapidamente alle deformazioni della forma, il che è particolarmente desiderabile per le applicazioni di rilevamento.

"Ispirandosi alla struttura nanofibrosa riparabile della pelle, abbiamo creato una pelle ionica artificiale incorporando un'impalcatura nanomesh elastica autoriparabile in un'altra matrice ionica morbida autoriparabile", ha affermato Sun. "La nanomesh è stata prodotta mediante elettrofilatura del nostro poliuretano sintetico che può autorigenerarsi mediante scambio di legami disolfuro a temperatura ambiente. La matrice ionica è stata realizzata evaporando la soluzione acquosa di acido poli(acrilammide-co-acrilico), acido ialuronico e CaCl₂ , che può guarire con l'aiuto dell'umidità. Grazie alla guaribilità dei due materiali madre, la pelle ionica ibrida può anche curare i danni in un breve periodo di tempo."

La pelle artificiale creata da Sun e dai suoi colleghi ha una struttura elastica e nanofibrosa unica che la rende altamente resistente alla fatica. Più specificamente, le sue nanofibre di poliuretano incorporate possono coprire grandi lunghezze di trasferimento di forza, attenuando così le crepe e impedendo loro di propagarsi ulteriormente.

Nelle valutazioni iniziali, il sistema di pelle artificiale ha ottenuto risultati molto promettenti. Il team ha scoperto che anche con una tacca pretagliata, l'ibrido ionico è rimasto intatto per oltre 10.000 cicli di allungamento. La soglia di fatica calcolata della pelle ionica ibrida è ~2.950 J m ^-2 , quasi due volte superiore al muscolo umano (1.000 J m ^-2 ).

"La morbidezza e l'elasticità sono le due proprietà meccaniche più importanti per i materiali di rilevamento simili alla pelle", ha affermato Sun. "Tuttavia, i design dei materiali convenzionali per morbidezza ed elasticità spesso portano alla bassa robustezza, che è contraria alla durata delle pelli ioniche. Abbiamo affrontato questo problema producendo una pelle ionica ibrida che imita la struttura nanofibrosa riparabile della pelle umana". /P>

Il sistema simile alla pelle creato da questo team di ricercatori è tra le prime pelli artificiali non solo morbide ed estensibili, ma anche auto-cicatrizzanti e resistenti alla fatica. In futuro, il progetto proposto da Sun e dai suoi colleghi potrebbe essere utilizzato per creare altre strutture robuste e conduttrici di ioni basate su altre combinazioni di materiali.

Inoltre, il loro sistema di pelle artificiale potrebbe aiutare lo sviluppo di robot umanoidi più resistenti alla fatica, più performanti e meno facilmente danneggiabili nel tempo. Sebbene la pelle ionica del team abbia finora ottenuto risultati notevoli, presenta ancora alcuni limiti notevoli, che Sun e i suoi colleghi sperano di superare.

"Poiché abbiamo usato l'idrogel igroscopico come matrice ionica, la stabilità ambientale è relativamente scarsa, specialmente in condizioni di cambiamento dell'umidità", ha aggiunto Sun. "In condizioni ambientali molto secche, la matrice ionica si indurisce perdendo acqua, e anche la capacità di autoguarigione della pelle sarà difficile da realizzare. Per superare questo limite, siamo ora motivati ​​a produrre pelli ioniche ancora più robuste in grado di lavorare in modo affidabile in condizioni difficili, come basse e alte temperature, sott'acqua, sottovuoto o in presenza di sostanze corrosive.Questo sarà molto utile per robot morbidi che dovrebbero operare in ambienti anche più complicati e variabili di quelli abitati dall'uomo ." + Esplora ulteriormente

La pelle artificiale danneggiabile potrebbe aiutare le protesi, i robot percepiscono le lesioni

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