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Muscolo artificiale

INGEGNERIA E TECNOLOGIAMuscolo artificiale

In un importante progresso nella robotica, per la prima volta sono stati progettati con successo robot con muscoli "morbidi" simili a quelli umani. Questi robot morbidi possono essere un vantaggio per progettare robot a misura d'uomo in futuro.

I robot sono macchine programmabili che vengono utilizzate abitualmente in applicazioni industriali, ad esempio come parte dell'automazione, in particolare nella produzione perché sono progettati per essere bravi in ​​attività ripetitive che richiedono molta forza e potenza. I robot interagiscono con il mondo fisico tramite sensori e attuatori al loro interno e sono riprogrammabili rendendoli più utili e flessibili delle normali macchine a funzione singola. È ovvio dal modo in cui questi robot sono progettati per svolgere il lavoro che i loro movimenti sono estremamente rigidi, a volte a scatti, simili a macchine e sono pesanti, imponenti e non sono utili quando un particolare compito richiede quantità variabili di forza in tempi diversi punti. I robot a volte sono anche pericolosi e potrebbero aver bisogno di custodie sicure in quanto non sono sensibili all'ambiente circostante. Il campo della robotica sta esplorando una varietà di discipline per progettare, costruire, programmare e utilizzare in modo efficiente macchine robotiche in varie aree dell'industria e della tecnologia medica con requisiti diversi.

In recenti studi sui gemelli guidati da Christoph Keplinger, i ricercatori hanno dotato i robot di una nuova classe di muscoli che sono molto simili ai nostri muscoli umani e possiedono e proiettano forza e sensibilità proprio come noi. L'idea centrale è quella di fornire movimenti più "naturali" alla macchina, cioè ai robot. Il 99.9 percento di tutti i robot odierni sono macchine rigide fatte di acciaio o metallo, mentre un corpo biologico è morbido ma ha capacità incredibili. Questi robot con muscoli 'morbidi' o 'più reali' possono essere opportunamente progettati per svolgere compiti di routine e delicati (che i muscoli umani svolgono quotidianamente), ad esempio semplicemente raccogliere un frutto di bosco o mettere un uovo all'interno di un cesto. Rispetto ai robot tradizionali, i robot dotati di 'muscoli artificiali' saranno come versioni 'più morbide' di se stessi e più sicure e potrebbero quindi essere personalizzate per svolgere quasi ogni compito in prossimità delle persone, suggerendo diverse possibili applicazioni associate e intorno alla vita umana. I robot morbidi potrebbero essere definiti robot "collaborativi", poiché saranno progettati in modo univoco per svolgere un particolare compito in modo molto simile a quello di un essere umano.

I ricercatori hanno cercato di creare robot muscolari molli. Un robot del genere richiederà un morbido muscolo tecnologia per impersonare i muscoli umani e due di queste tecnologie sono state provate dai ricercatori: attuatori pneumatici e attuatori elastomerici dielettrici. L'"attuatore" è definito come il dispositivo effettivo che muove il robot, o il robot mostra un movimento particolare. Negli attuatori pneumatici, una sacca morbida viene pompata con gas o fluidi per creare un movimento particolare. Questo è un design semplice ma comunque potente anche se le pompe sono poco pratiche e hanno serbatoi ingombranti. La seconda tecnologia: gli attuatori in elastomero dielettrico utilizzano il concetto di applicare un campo elettrico attraverso una plastica flessibile isolante per deformarlo e creare così un movimento. Queste due tecnologie da sole non hanno ancora avuto successo perché quando un fulmine di elettricità passa attraverso la plastica, questi dispositivi si guastano miseramente e quindi non sono resistenti ai danni meccanici.

Più robot "umani" con muscoli simili

Negli studi sui gemelli riportati in Scienza1 e Scienze Robotica2, i ricercatori hanno preso gli aspetti positivi delle due tecnologie disponibili per i muscoli molli e hanno creato un semplice attuatore simile a un muscolo morbido che utilizza l'elettricità per alterare il movimento dei liquidi all'interno di piccoli sacchetti. Queste buste polimeriche flessibili contengono un liquido isolante, ad esempio un normale olio (olio vegetale o olio di colza) del supermercato, o qualsiasi liquido simile può essere utilizzato. Una volta applicata la tensione tra gli elettrodi di idrogel posti tra i due lati della busta, i lati sono stati attirati l'uno verso l'altro, si verifica lo spasmo dell'olio, spremendo il liquido al suo interno e facendolo scorrere all'interno della busta. Questa tensione crea una contrazione muscolare artificiale e una volta interrotta l'elettricità, l'olio si rilassa nuovamente, imitando un artificiale rilassamento muscolare. L'attuatore cambia forma in questo modo e l'oggetto che è connesso all'attuatore mostra un movimento. Pertanto, questo "muscolo artificiale" si contrae e si rilascia (flette) istantaneamente in millisecondi allo stesso modo e con la stessa precisione e forza dei veri muscoli scheletrici umani. Questi movimenti possono persino battere la velocità delle reazioni muscolari umane perché i muscoli umani comunicano contemporaneamente con il cervello causando un ritardo, sebbene impercettibile. Pertanto, attraverso questo progetto, è stato realizzato un sistema fluido che aveva un controllo elettrico diretto che mostrava versatilità e alte prestazioni.

Nel primo studio1 in Scienza, gli attuatori erano progettati a forma di ciambella e avevano la capacità e la destrezza di raccogliere e tenere un lampone attraverso una pinza robotica (e non far esplodere il frutto!). Anche il possibile danno causato da un fulmine elettrico quando è passato attraverso il liquido isolante (un grosso problema con gli attuatori progettati in precedenza) è stato curato nel design attuale e qualsiasi danno elettrico è stato auto-riparato o riparato istantaneamente da nuovi flusso di liquido nella parte 'danneggiata' attraverso un semplice processo di ridistribuzione. Ciò è stato attribuito all'uso di materiale liquido, che è più resistente, al posto di uno strato isolante solido utilizzato in molti progetti precedenti e che è stato danneggiato all'istante. In questo processo il muscolo artificiale è sopravvissuto a più di un milione di cicli di contrazione. Questo particolare attuatore, essendo a forma di ciambella, riusciva facilmente a cogliere un lampone. Allo stesso modo, adattando la forma di queste buste elastiche, i ricercatori hanno creato un'ampia gamma di attuatori con movimenti unici, ad esempio anche per raccogliere un uovo fragile con precisione e l'esatta forza richiesta. Questi muscoli flessibili sono stati definiti come attuatori "elettrostatici autorigeneranti amplificati idraulicamente" o attuatori HASEL. In un secondo studio2 pubblicato nella Scienza Robotics, lo stesso team ha inoltre creato altri due modelli di muscoli molli che si contraggono linearmente, in modo molto simile a un bicipite umano, avendo così la capacità di sollevare ripetutamente oggetti più pesanti del proprio peso.

R L'opinione generale è che, poiché i robot sono macchine, devono sicuramente avere un vantaggio sugli umani, ma, quando si tratta delle sorprendenti capacità offerte dai nostri muscoli, si potrebbe semplicemente dire che i robot impallidiscono al confronto. Il muscolo umano è estremamente potente e il nostro cervello ha una straordinaria quantità di controllo sui nostri muscoli. Questo è il motivo per cui i muscoli umani sono in grado di eseguire compiti complessi con precisione, ad esempio la scrittura. I nostri muscoli si contraggono e si rilassano ripetutamente quando svolgiamo un compito pesante e si dice che effettivamente usiamo solo il 65% circa della capacità dei nostri muscoli e questo limite è principalmente fissato dal nostro pensiero. Se potessimo immaginare un robot con muscoli morbidi simili a quelli umani, la forza e le capacità sarebbero enormi. Questi studi sono visti come un primo passo per sviluppare un attuatore che potrebbe un giorno raggiungere le enormi capacità dei veri muscoli biologici.

Robotica "morbida" conveniente

Gli autori affermano che materiali come le buste polimeriche di patatine, l'olio e persino gli elettrodi sono economici e facilmente disponibili, con un costo di soli 0.9 USD (o 10 centesimi). Ciò è incoraggiante per le attuali unità di produzione industriale e per i ricercatori che desiderano approfondire le proprie competenze. I materiali a basso costo sono scalabili e compatibili con le attuali pratiche del settore e tali dispositivi potrebbero essere utilizzati per una serie di applicazioni come dispositivi protesici o come compagni umani. Questo è un aspetto particolarmente interessante, dal momento che il termine robotica è sempre associato a costi elevati. Uno svantaggio associato a tale muscolo artificiale è l'elevata quantità di elettricità richiesta per il suo funzionamento e ci sono anche possibilità di ustioni se il robot riserva troppa potenza. I robot morbidi sono molto più delicati delle loro controparti robot tradizionali, il che rende il loro design più impegnativo, ad esempio le possibilità di forare, perdere potenza e versare l'olio. Questi robot morbidi hanno sicuramente bisogno di una sorta di aspetto di autoguarigione, come già fanno molti robot morbidi.

I robot morbidi efficienti e robusti possono essere molto utili nella vita umana in quanto possono integrare gli umani e lavorare con loro come robot "collaborativi" piuttosto che robot che sostituiscono gli umani. Inoltre, le braccia protesiche tradizionali potrebbero essere più morbide, piacevoli e sensibili. Questi studi sono promettenti e se l'elevata domanda di energia può essere affrontata, ha il potenziale per rivoluzionare il futuro dei robot in termini di design e modalità di movimento.

***

{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}

Fonte (s)

1. Come et al. 2018. Attuatori elettrostatici autoriparanti amplificati idraulicamente con prestazioni simili a muscoli. Scienza. 359(6371). https://doi.org/10.1126/science.aao6139

2. Kellaris et al. 2018. Attuatori Peano-HASEL: trasduttori elettroidraulici muscolo-mimetici che si contraggono linearmente all'attivazione. Scienza Robotics. 3 (14). https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276

Squadra SCIEU
Squadra SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Progressi significativi della scienza. Impatto sull'umanità. Menti ispiratrici.

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