Anche i robot avranno i muscoli, grazie a un nuovo polimero ferroelettrico

Uno degli aspetti più interessanti di avere a disposizione – in un futuro sempre più prossimo – dei robot è la possibilità di delegare loro i lavori più faticosi e stancanti, come spostare carichi pesanti.

Nel nostro corpo sono i muscoli a permetterci di compiere non solo azioni quotidiane e semplici, (come camminare, tenere in mano una matita, respirare o altro) ma anche movimenti complessi e impegnativi, come correre, saltare e trasportare oggetti pesanti.

Con l'obiettivo di permettere ai robot di emulare in tutto e per tutto ciò che il corpo umano è in grado di compiere, un gruppo di ricercatori internazionali del Material Research Istitute, facente capo alla Pennsylvania State Univesity, ha messo a punto un nuovo tipo di polimero ferroelettrico eccezionalmente efficace nel convertire l'energia elettrica in sollecitazione meccanica, esattamente come un muscolo umano.

Il materiale si è rivelato estremamente promettente non solo come controller di movimento ad alte prestazioni o "attuatore" per applicazioni nella robotica avanzata, ma anche in dispositivi medici e sistemi di posizionamento di precisione.

Secondo gli scienziati che hanno preso parte alla ricerca, il suo uso principe sarebbe proprio quello dell'attuatore, in virtù della sua flessibilità, adattabilità e resilienza; la caratteristica principale di un attuatore è infatti la deformazione meccanica che riesce a sopportare, ovvero il modo in cui il materiale cambia forma quando viene applicata una forza, per poi tornare allo stato originale quando quest'ultima cessa di essere essere esercitata.

La scoperta dei materiali ferrolettrici [ndr, ovvero un materiale dotato di polarizzazione spontanea commutabile, in grado quindi di produrre elettricità in modo autonomo] e delle loro caratteristiche ha letteralmente cambiato le regole del gioco, spostando l'attenzione dei ricercatori dai materiali rigidi a quelli morbidi e alla creazione dei primi polimeri ferroelettrici.

La ricerca dell'Università americana (pubblicata col titolo "New ferroelectric material could give robots muscles") ha dimostrato inoltre come i nanocompositi polimerici ferroelettrici siano in grado di superare i limiti dei compositi polimerici piezoelettrici, il cui punto di forza è la capacità di polarizzarsi, generando una differenza di potenziale elettrico, se soggetti a una deformazione meccanica e, viceversa, di deformarsi in maniera elastica quando sottoposti ad una tensione elettrica.

"Potenzialmente ora possiamo avere un una struttura robotica morbida che chiamiamo muscolo artificiale", ha affermato Qing Wang, Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali alla Pennyslvaia State University e autore corrispondente dello studio "Electro-thermal actuation in percolative ferroelectric polymer nanocomposites" recentemente pubblicato su Nature Materials.

"Ciò ci consentirebbe di avere materia soffice in grado di sopportare un carico elevato oltre a una grande sollecitazione. Quel materiale diventerebbe quanto di più vicino possibile al muscolo umano" ha aggiunto Wang.

Un'applicazione comune di un attuatore ferroelettrico è una stampante a getto d'inchiostro, in cui la carica elettrica modifica la forma dell'attuatore per controllare con precisione i minuscoli ugelli che depositano l'inchiostro sulla carta, formando testo ed immagini.

Molti materiali ferroelettrici sono ceramiche, ma recentemente la ricerca sta sviluppando diversi polimeri con queste caratteristiche, ovvero una classe di materiali naturali e sintetici costituiti da molte unità simili legate insieme. 

Uno dei vantaggi dei polimeri ferroelettrici è che mostrano un'enorme quantità di deformazione indotta dal campo elettrico esercitato sull'attuatore.

Questa loro proprietà (insieme a un elevato livello di flessibilità, costi e peso ridotto) esercita un grande interesse per i ricercatori che operano nel campo della robotica morbida, ovvero la progettazione di robot con parti flessibili unite all'elettronica.

Tuttavia, ci sono alcuni ostacoli da superare prima che questi materiali possano mantenere le loro promesse e nello studio sono state proposte potenziali soluzioni.

I ferroelettrici, come accennato qualche paragrafo sopra, sono una classe di materiali dotati di una polarizzazione elettrica spontanea che reagisce all'applicazione di una carica elettrica esterna spostando le cariche positive e negative verso poli diversi.

La deformazione in questi materiali durante la transizione di fase (in questo caso la conversione di energia elettrica in energia meccanica) può cambiarne completamente alcune proprietà, come la  forma, rendendoli utili come attuatori, ma con due grossi limiti.

"In questo studio abbiamo proposto soluzioni a due grandi sfide nel campo dell'azionamento dei materiali morbidi", ha spiegato Wang. "Una è legata al migliorare la forza dei materiali morbidi; i polimeri che utilizziamo hanno una maggiore deformazione, ma generano molta meno forza rispetto alle ceramiche piezoelettriche.
La seconda sfida è che un attuatore in polimero ferroelettrico necessita tipicamente di un campo di azionamento molto elevato, ovvero di una forza considerevole che imponga un cambiamento nel sistema [ndr, il cambiamento di forma dell'attuatore]".

La soluzione proposta dal team per migliorare le prestazioni dei polimeri ferroelettrici consiste nello sviluppo di un nanocomposito di polimero ferroelettrico percolativo, una sorta di "adesivo" microscopico attaccato al polimero.

Così facendo i ricercatori sono stato in grado di incorporare nel polimero alcune nanoparticelle (in questo caso di fluoruro di polivinilidene), creando una rete interconnessa di poli all'interno del materiale.

Il reticolo ha consentito di indurre una transizione di fase ferroelettrica a campi elettrici molto più bassi di quelli normalmente richiesti, grazie al metodo elettrotermico, ovvero sfruttando il riscaldamento Joule che si verifica quando la corrente elettrica che passa attraverso un conduttore produce calore.

Questa strategia per indurre la transizione di fase nel polimero nanocomposito ha richiesto meno del 10% dell'intensità di un campo elettrico tipicamente utilizzato in queste applicazioni, andando potenzialmente a superare uno dei limiti messi in luce dallo studio del 2017 "Light-Triggered Soft Artificial Muscles: Molecular-Level Amplification of Actuation Control Signals", a sua volta pubblicato su Nature.

"In genere, nei materiali ferroelettrici, deformazione e forza sono correlate tra loro, in una relazione inversa", ha spiegato Wang.

"Ora siamo in grado di integrare queste due caratteristiche in un unico materiale; al contempo, abbiamo sviluppato un nuovo approccio per guidarlo, ovvero il riscaldamento Joule. Inoltre, dal momento che l'intensità del campo elettrico può essere molto più bassa rispetto ad altri materiali, le potenziali applicazioni di questo polimero rientrano anche nel campo della bio-medicina".