Il legno è la fonte di un mini materiale muscolare robotico in grado di rompere i mattoni sviluppato da ricercatori in Svezia e Germania. Il materiale, un idrogel appositamente sviluppato, può cambiare forma, espandersi e contrarsi su richiesta se controllato con impulsi elettronici inferiori a 1 volt.
La robotica è solo uno dei potenziali usi del materiale, realizzato con nanofibre di cellulosa (CNF) derivate dal legno. La tecnologia presenta anche possibilità nel campo della medicina e della produzione biochimica.
I risultati sono stati riportati in Materiali avanzati dai ricercatori del KTH Royal Institute of Technology.
A differenza dei muscoli robotici che si espandono con la potenza dell'aria o del liquido pressurizzato, questi idrogel si gonfiano a causa del movimento dell'acqua guidato da impulsi elettrochimici, afferma Tobias Benselfelt, ricercatore presso la Divisione di tecnologia delle fibre del KTH Royal Institute of Technology.
I componenti chiave del materiale sono acqua, nanotubi di carbonio come conduttore e nanofibre di cellulosa ricavate dalla pasta di legno. Sebbene il materiale sia un idrogel, appare come strisce di plastica quando viene combinato con nanofibre di carbonio.
La forza del materiale deriva dall'orientamento delle nanofibre nella stessa direzione, proprio come nelle venature del legno. "Gli idrogel di nanofibre si gonfiano uniassialmente, su un unico asse, generando alta pressione", afferma Benselfelt. "Un singolo pezzo di 15 x 15 cm può sollevare un'auto da 2 tonnellate."
Il rigonfiamento del materiale può essere controllato elettronicamente come risultato dell'aggiunta di nanotubi di carbonio conduttivi all'idrogel, che crea ciò che i ricercatori chiamano attuatori idrogel osmotici elettrochimici.
Il professor Max Hamedi del KTH, coautore del lavoro, afferma che l'ispirazione per il progetto è venuta dal modo in cui crescono le piante.
"Pensa a quanto sono forti le piante", dice Hamedi. "Gli alberi possono crescere sul marciapiede grazie alle stesse forze che applichiamo:controlliamo semplicemente quella forza elettronicamente."
Un aspetto interessante della ricerca è che la porosità del materiale può essere controllata elettronicamente", afferma Benselfelt. La porosità può essere aumentata fino al 400%, il che rende questi idrogel un materiale ideale per le membrane elettrosintonizzabili per separare o distribuire molecole o farmaci in situ.
Questa espansione controllata con precisione è anche ciò che consente al materiale di esercitare una forza sufficiente per rompere un mattoncino, come hanno dimostrato i ricercatori insieme al loro studio. Tuttavia, per ora, i ricercatori prevedono che il loro utilizzo sarà limitato a piccoli dispositivi come valvole o interruttori nella microfluidica. "Attualmente sono disponibili in fogli sottili, il che ne limita l'uso come muscoli artificiali per robot più grandi", afferma Hamedi.
Guardando più lontano nel futuro, una possibile applicazione della robotica potrebbe essere nei robot sottomarini. Benselfelt afferma che questi possono essere utilizzati a grandi profondità poiché gli idrogel non possono essere compressi dalla pressione dell'acqua.
"In generale, si tratta di un passo avanti verso macchine morbide e realistiche. Tuttavia, questa visione è molto lontana nel futuro", afferma.
Un altro vantaggio della tecnologia è che è relativamente economica da produrre. Il team continua a ottimizzare il materiale, a stampare muscoli elettronici in 3D e a studiare come adattarlo per uso commerciale.
La ricerca è stata condotta presso il KTH Royal Institute of Technology e il Digital Cellulose Center e ha coinvolto collaboratori del Max Planck Institute of Intelligent Systems, dell'Università di Linköping e della Technische Universität Braunschweig.
Ulteriori informazioni: Tobias Benselfelt et al, Idrogel controllati elettrochimicamente con permeabilità elettrosintonizzabile e attuazione uniassiale, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202303255
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito da KTH Royal Institute of Technology
