Ispirato alle farfalle: propulsione intelligente per i robot del futuro
I microscroll di pentossido di vanadio controllabili magneticamente sono in grado di spostare un peso pari a 30 volte il proprio
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I ricercatori dell’Università di Stoccarda e dell’Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido hanno sviluppato dei minuscoli rotoli che possono essere srotolati e arrotolati in modo controllato tramite un magnete. Il modello di riferimento è stata la proboscide delle farfalle. Questi materiali intelligenti consentono lo sviluppo di tecnologie di azionamento più efficienti per la micro- e la soft-robotica, un campo di ricerca di grande rilevanza economica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials.
I nuovi sistemi robotici fanno sempre più spesso notizia: i microrobot sono robot estremamente piccoli con potenziali applicazioni in settori quali la medicina e l’industria. Allo stesso tempo, il campo della robotica morbida – che si avvale di materiali flessibili e adattabili – sta compiendo progressi per rendere i robot più adattabili e sicuri. Proprio come nella robotica (macroscopica), anche nella micro- e nella robotica morbida gli attuatori devono controllare i movimenti o le pinze. Tuttavia, poiché i sistemi complessivi nella microrobotica sono molto più piccoli e, nella robotica morbida, devono essere elasticamente modellabili, ciò crea requisiti completamente nuovi per i componenti di tali sistemi. Spesso questi requisiti possono essere soddisfatti solo ricorrendo a nuovi materiali. È qui che è intervenuto il team guidato dalla dott.ssa Zaklina Burghard, responsabile di gruppo presso l’Istituto di Scienza dei Materiali dell’Università di Stoccarda.
«La micro- e la robotica morbida richiedono attuatori che consentano ai sistemi robotici di afferrare, muoversi e interagire con l’ambiente circostante», afferma Burghard. «Non ci siamo limitati a sviluppare un altro attuatore. Abbiamo creato una piattaforma di produzione che trasforma in pochi secondi pellicole funzionali ultrasottili in microscroll ceramici tridimensionali programmabili. Questi microscroll fungono da elementi di azionamento compatti per i futuri sistemi robotici». La piattaforma tecnologica è l’ultimo risultato della ricerca di lunga data della Burghard sui sistemi di materiali ceramici bioispirati.
Ispirazione dalla proboscide della farfalla
La farfalla non ha ispirato la funzione biologica dell’attuatore, bensì l’elegante movimento di arrotolamento e srotolamento della sua proboscide. Questo movimento caratteristico è diventato il punto di partenza per lo sviluppo dei nuovi microscroll ceramici. I ricercatori hanno realizzato pellicole ultrasottili di pentossido di vanadio contenenti nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro e le hanno trasformate in microscroll tridimensionali utilizzando un semplice processo meccanico.
Per realizzare i microscroll, le pellicole ceramiche ultrasottili vengono delicatamente staccate dal loro substrato con una lametta. Agendo in modo molto simile a una pialla da falegnameria in miniatura, la lametta piega continuamente la pellicola staccata, facendola arrotolare in un microscroll strettamente avvolto nel giro di pochi secondi. Avvicinando un magnete al microscroll, questo si srotola rapidamente; rimuovendo il campo magnetico, si arrotola nuovamente.
A differenza delle ceramiche convenzionali, queste pellicole ultrasottili non sono fragili ma flessibili. Il loro insolito comportamento meccanico deriva da una nano- e microstruttura gerarchica di ispirazione biologica, che consente una deformazione elastica preservando al contempo l’integrità strutturale del materiale ceramico.
Minuscoli microscroll ceramici sollevano più di 30 volte il proprio peso
I ricercatori hanno realizzato rotoli larghi pochi micrometri che, una volta arrotolati, hanno un diametro di sole poche centinaia di micrometri. Una volta srotolati, raggiungono una lunghezza massima di 25 mm. Negli esperimenti, i rotoli si sono dimostrati molto resistenti: funzionano perfettamente anche dopo 5.000 cicli. I micro-rulli in ceramica sono in grado di spostare più di 30 volte il proprio peso. «I micro-rulli possono anche essere disposti in matrici programmabili», afferma Burghard. «Ciò consente a più attuatori di operare simultaneamente e di svolgere compiti coordinati come il sollevamento, il trasporto o la manipolazione di oggetti microscopici».
Il pentossido di vanadio è stato scelto come materiale modello poiché è da molti anni al centro della ricerca di Burghard e ha fornito la base ideale per lo sviluppo della nuova piattaforma di produzione.
«Per me, l’attuatore è solo l’inizio», afferma Burghard. «La vera innovazione è la piattaforma a scorrimento stessa. Può essere trasferita a molti materiali diversi, sia organici che inorganici, a film sottile, aprendo la strada a microsistemi programmabili completamente nuovi». Oltre alla micro-robotica e alla robotica morbida, la piattaforma potrebbe consentire la realizzazione di futuri componenti elettronici, sensori, dispositivi di accumulo di energia e altri microsistemi multifunzionali su misura per applicazioni specifiche.
La natura come modello per i materiali del futuro
Lo sviluppo dei microscroll in ceramica magnetica è iniziato nell’ambito di un progetto di ricerca finanziato dalla DFG e guidato da Burghard. Nell’ambito di questo progetto, Semi Kim ha condotto i primi studi sperimentali durante la sua tesi di laurea magistrale nel 2023, gettando le basi per il presente studio. Partendo da questi risultati iniziali, il team di ricerca ha ulteriormente ampliato e perfezionato il concetto.
La ricerca viene condotta presso il Dipartimento di Materiali Bioispirati dell’Istituto di Scienza dei Materiali. «Nel nostro dipartimento uniamo la natura, fonte di ispirazione, alla moderna scienza dei materiali. Gli studenti imparano come i principi della fisica, della chimica, della modellazione computazionale e della progettazione di materiali bioispirati si integrino per sviluppare la prossima generazione di materiali funzionali e microsistemi programmabili. Questo approccio interdisciplinare unico si riflette direttamente nella nostra ricerca», afferma Burghard. «Il nostro lavoro riunisce concetti bioispirati, nanomateriali ceramici, funzionalità magnetica, meccanica e produzione avanzata in un’unica piattaforma per i microsistemi programmabili del futuro».
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