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In foto, il team del RoboPhysics Laboratory del Politecnico di Bari, tra cui gli autori della ricerca Cacucciolo e Vitucci
Sono molto flessibili, forti, rapidi e sottilissimi. Riescono a simulare il comportamento dei muscoli del corpo umano senza più l’ausilio di ingombranti motori esterni, un risultato a lungo atteso in questo ambito.
Parliamo dei Electrofluidic fiber muscles, muscoli artificiali per robot e dispositivi indossabili, frutto di una ricerca in collaborazione tra il RoboPhysics Laboratory del Politecnico di Bari e il MIT Media Lab del Massachussets Institute of Technology di Cambridge, negli Stati Uniti.
I risultati dell’attività sono stati pubblicati a fine marzo sulla rivista scientifica internazionale Science Robotics. Gli autori della ricerca sono Ozgun Kilic Afsar, dottorando di ricerca al MIT Media Lab, come primo autore, e Vito Cacucciolo, professore associato di Meccanica applicata alle macchine al Politecnico di Bari, come responsabile scientifico del progetto. Il team comprende Gabriele Pupillo e Gennaro Vitucci, del Politecnico di Bari, Wedyan Babatain e il prof. Hiroshi Ishii del MIT Media Lab.
Come funzionano i muscoli artificiali azionati a fluido
A differenza di altri sistemi robotici oggi guidati da servomotori rigidi, questi muscoli artificiali azionati a fluido messi a punto dal Politecnico e dal MIT Media Lab sono morbidi e flessibili. Possono essere raggruppati e disposti in diverse configurazioni, per essere adattati, ad esempio, alla struttura dei robot, per aumentare la forza e la velocità di risposta, pur mantenendo la loro elasticità. Possono anche essere facilmente integrabili in un dispositivo indossabile.
I muscoli artificiali sono composti da fibre dal diametro di 2 millimetri che sono in grado di erogare una potenza paragonabile a quella del muscolo scheletrico umano, pari a circa 50 W/kg.
Queste prestazioni si ottengono integrando pompe in fibra elettroidrodinamiche (EHD) - in pratica tubi sottili che spostano il liquido utilizzando campi elettrici e generano pressione in modo silenzioso, senza parti in movimento - con degli attuatori fluidici.
Prima dell'uso, le fibre vengono riempite con un liquido dielettrico e leggermente sovraricoperte per raggiungere la pressione desiderata. Una volta chiusa la valvola di riempimento, i muscoli possono funzionare in modo completamente autonomo e alimentati solo dall'input elettrico. Ciò elimina le ingombranti apparecchiature esterne, come pompe, compressori e tubi, che hanno a lungo limitato la portabilità e l'uso pratico dei robot morbidi azionati a fluido.
Per la prima volta, abbiamo dei muscoli artificiali con tutte le caratteristiche ottimali di forza, contrazione e velocità, azionabili elettricamente in modo autonomo e in circuito chiuso
Vito Cacucciolo, Politecnico di Bari
Le potenzialità applicative dei muscoli in fibre elettrofluidiche
Il risultato è una fibra muscolare artificiale lunga, sottile e morbida che si contrae del 20% in 0,3 secondi quando si applica una tensione in corrente continua.
Questi muscoli artificiali potrebbero consentire la realizzazione di robot più agili e sistemi di assistenza indossabili in cui l'attuazione è integrata direttamente nei tessuti.
Il prof. Cacucciolo ritiene che siano numerose le applicazioni possibili per questa nuova tecnologia. Riporta esempi come la medicina riabilitativa, la soft robotics, i dispositivi di supporto muscolare in contesti anche industriali, dove sono richieste alte prestazioni muscolari.
I finanziamenti e l'ERC Starting Grant
Il risultato di questa ricerca è strettamente legato anche ai precedenti step a cui era giunto il prof. Cacucciolo nell'ambito delle fiber pumps (pompe in fibra), già a partire dal 2023.
La ricerca è infatti finanziata nell’ambito del progetto Robofluid, gestito dal docente barese, che nel 2023 ha vinto un ERC Starting Grant del valore di 1,5 milioni di euro. Si tratta di finanziamenti ambitissimi dai ricercatori, messi a disposizione dall’ERC (Consiglio Europeo della Ricerca) per sostenere la ricerca d’avanguardia in tutti i settori.
Per il prof. Cacucciolo, rientrato in Italia dopo aver fatto importanti esperienze all’estero e in altri atenei italiani, il Grant ha rappresentato l’occasione di proseguire, con grande autonomia, le ricerche sulle quali si era concentrato fin da giovanissimo dottorando di ricerca, nel dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Poliba, dove la sua carriera era incominciata come studente.
La collaborazione con gli Stati Uniti
A Bari, infatti, Cacucciolo era stato contattato dal MIT Media Lab per cercare una soluzione a un grande ostacolo nello sviluppo di robot morbidi e indossabili.
L’obiettivo era integrare le pompe in fibra con attuatori McKibben sottili, basandosi sulle sue precedenti ricerche (i McKibben sono una tipologia di attuatori a struttura cilindrica cava a rete intrecciata, progettati per emulare la contrazione muscolare).
Nel quadro di questa collaborazione, i team di ricerca di Politecnico di Bari e MIT Media Lab si sono concentrati su soluzioni a circuito chiuso, che hanno portato infine allo sviluppo di un nuovo tipo di attuatore fluidico ad alte prestazioni.
Il muscolo in fibre elettrofluidiche ha infatti una densità di potenza (quantità di energia trasmessa per unità di peso e tempo) di 50 Watt per chilogrammo e un tempo di risposta di 0,3 secondi. Una nuova prospettiva per la comunità scientifica internazionale e per l’industria del settore.
Fonti
PoliBA Chronicle
Science Robotics