In un articolo del 15 maggio pubblicato sulla rivista Physical Review Letters , i fisici della Virginia Tech hanno rivelato un fenomeno microscopico che potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni dei dispositivi soft, come robot agili e flessibili o capsule microscopiche per la somministrazione di farmaci.
L'articolo, scritto dal dottorando Chinmay Katke, dal professore assistente C. Nadir Kaplan e dal coautore Peter A. Korevaar dell'Università Radboud nei Paesi Bassi, propone un nuovo meccanismo fisico che potrebbe accelerare l'espansione e la contrazione degli idrogel. Per prima cosa, questo apre la possibilità agli idrogel di sostituire i materiali a base di gomma utilizzati per realizzare robot flessibili, consentendo a questi materiali fabbricati di muoversi forse con una velocità e una destrezza vicine a quelle delle mani umane.
I robot morbidi vengono già utilizzati nel settore manifatturiero, dove un dispositivo simile a una mano è programmato per afferrare un oggetto da un nastro trasportatore (immagina un hot dog o un pezzo di sapone) e posizionarlo in un contenitore per essere confezionato. Ma quelli in uso ora si affidano all'idraulica o alla pneumatica per cambiare la forma della "mano" per raccogliere l'oggetto.
Come il nostro corpo, gli idrogel contengono principalmente acqua e sono ovunque intorno a noi, ad esempio nella gelatina alimentare e nel gel da barba. La ricerca di Katke, Korevaar e Kaplan sembra aver trovato un metodo che consente agli idrogel di gonfiarsi e contrarsi molto più rapidamente, il che migliorerebbe la loro flessibilità e capacità di funzionare in diversi contesti.
Gli organismi viventi utilizzano l'osmosi per attività come la rottura dei semi, la dispersione dei frutti nelle piante o l'assorbimento dell'acqua nell'intestino. Normalmente, pensiamo all'osmosi come a un flusso d'acqua che si muove attraverso una membrana, dove molecole più grandi come i polimeri non sono in grado di attraversarla. Tali membrane sono chiamate membrane semipermeabili e si pensava fossero necessarie per innescare l'osmosi.
In precedenza, Korevaar e Kaplan avevano condotto esperimenti utilizzando un sottile strato di pellicola di idrogel composto da acido poliacrilico. Avevano osservato che anche se il film di idrogel consente il passaggio sia dell'acqua che degli ioni e non è selettivo, l'idrogel si gonfia rapidamente per osmosi quando gli ioni vengono rilasciati all'interno dell'idrogel e si restringe nuovamente.
Katke, Korevaar e Kaplan hanno sviluppato una nuova teoria per spiegare l'osservazione di cui sopra. Questa teoria dice che le interazioni microscopiche tra gli ioni e l'acido poliacrilico possono far gonfiare l'idrogel quando gli ioni rilasciati all'interno dell'idrogel sono distribuiti in modo non uniforme. Chiamarono questo "rigonfiamento diffusioforetico degli idrogel". Inoltre, questo meccanismo appena scoperto consente agli idrogel di gonfiarsi molto più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza.
Kaplan spiega:I robot morbidi e agili sono attualmente realizzati con la gomma, che "fa il lavoro ma le loro forme vengono modificate idraulicamente o pneumaticamente. Ciò non è desiderato perché è difficile imprimere una rete di tubi in questi robot per fornire loro aria o fluido". ."
Immagina, ha detto Kaplan, quante cose diverse puoi fare con la tua mano e quanto velocemente puoi farle grazie alla tua rete neurale e al movimento degli ioni sotto la pelle. Poiché la gomma e l'idraulica non sono versatili come i tessuti biologici, che sono un idrogel, i robot morbidi all'avanguardia possono eseguire solo un numero limitato di movimenti."
Katke ha spiegato che il processo che hanno studiato consente agli idrogel di cambiare forma e poi tornare alla loro forma originale "molto più velocemente in questo modo" in robot morbidi più grandi che mai.
Al momento, solo i robot idrogel di dimensioni microscopiche possono rispondere a un segnale chimico abbastanza velocemente da essere utili, mentre quelli più grandi richiedono ore per cambiare forma, ha detto Katke. Utilizzando il nuovo metodo di diffusioforesi, robot morbidi grandi quanto un centimetro potrebbero essere in grado di trasformarsi in pochi secondi, un dato soggetto a ulteriori studi.
Robot morbidi e agili più grandi, in grado di rispondere rapidamente, potrebbero migliorare i dispositivi di assistenza nel settore sanitario, le funzioni di "pick-and-place" nella produzione, le operazioni di ricerca e salvataggio, i cosmetici utilizzati per la cura della pelle e le lenti a contatto.
