I ricercatori sviluppano il componente mancante nei tessuti robotici

Per anni l'ostacolo con la robotica morbida è stato che gran parte di essa richiede un qualche tipo di pompa che, fino ad ora, era disponibile solo in forme non indossabili più convenzionali. Sensori, attuatori, nonché dispositivi di accumulo e generazione di energia sono stati tutti sviluppati sotto forma di fibre morbide che possono essere tessute senza soluzione di continuità negli indumenti. Tuttavia, le pompe morbide che sono state sviluppate mancano della potenza fluidica per renderle veramente utili e non sono state realizzate come fibre.

Riportando le loro scoperte in Scienze, Michael Smith, Vito Cacucciolo ed Herbert Shea presso l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Svizzera hanno sviluppato una pompa idraulica morbida che non solo batte la potenza fluidica precedentemente raggiunta di un fattore dieci, ma assume anche la forma di una fibra.

"L'azionamento idraulico è interessante perché è morbido e cedevole, e puoi metterlo sul corpo", dice Shea. Lui ei suoi colleghi erano stati ampiamente motivati ​​da obiettivi a lungo termine per sviluppare un esoscheletro morbido e confortevole che qualcuno potesse indossare per la riabilitazione o il supporto della forza, ad esempio, o per consentire a qualcuno con mobilità ridotta di camminare.

La pompa in fibra funziona sulla base dell'elettroidrodinamica, un principio che condivide con a pompa elastica che il gruppo di Shea ha dimostrato nel 2019. Mentre quella pompa aveva elettrodi che si alternavano lungo l'interno di un canale pieno di liquido come dita intrecciate, la pompa in fibra contiene elettrodi positivi e negativi avvolti attorno all'interno di un tubo pieno di liquido. La differenza di potenziale tra gli elettrodi ionizza le molecole nel fluido e le accelera lungo il tubo. Quando le molecole circostanti vengono catturate dalle molecole ionizzate, il fluido si sposta lungo il tubo generando pressione.

Il meccanismo della pompa si basa sugli elettrodi tenuti in posizione all'interno del tubo in modo tale che vi sia un contatto diretto tra loro e il fluido in modo che possano iniettare carica in esso. Pur essendo impegnativi, i ricercatori hanno trovato un percorso elegante per la geometria richiesta torcendo insieme il materiale del tubo e gli elettrodi attorno a un mandrino.

"Qualsiasi metrica a cui puoi pensare per misurare una pompa migliora quando la trasformi in una fibra di un fattore di almeno 10", afferma Smith, che ha sviluppato la geometria dell'avvolgimento, citando miglioramenti in termini di pressione, portata, efficienza e potenza. Ciò è in gran parte dovuto al pompaggio continuo lungo il tubo che la struttura elicoidale dà, che porta a un flusso del fluido più regolare, spiega Shea.

La simmetria cilindrica abbassa anche l'impedenza fluidica, mentre i fili possono anche fornire una distribuzione del campo più ionizzante rispetto agli elettrodi piatti. Il salto di potenza fluidica fornito dal dispositivo è stato una gradita sorpresa per i ricercatori, dal momento che - come sottolinea Smith - la pompa è molto difficile da simulare accuratamente a causa di tutta la "fisica accoppiata" coinvolta.

Una sensazione tattile

La pompa è ancora un po' lontana dall'efficienza richiesta per un esoscheletro morbido, ma i ricercatori hanno dimostrato quanto possa essere efficace per generare stimoli tattili, la sensazione di toccare un oggetto. La sensazione ronzante di digitare su un touch screen è un esempio quotidiano di aptica tattile, ma, come sottolinea Shea, "molto di come percepiamo il mondo è in realtà conducibilità termica". In un mondo virtuale, ricreare queste esperienze termiche può migliorare il senso di immersione, ma è stato difficile da implementare. Le pompe in fibra possono far circolare localmente fluido refrigerato, creando stimoli tattili termici locali senza bisogno di una vasta gamma di pompe e valvole separate.

Jun Zo è un professore presso lo State Key Lab of Fluid Power and Mechatronic Systems in Cina che ha anche lavorato su pompe morbide. Sebbene non sia coinvolto in questa ricerca, la descrive come "un'efficace integrazione di attuazione e cucibilità per applicazioni indossabili".

Andrea Conn, un esperto di robotica morbida presso l'Università di Bristol nel Regno Unito, anch'egli non coinvolto, descrive il lavoro come "un passo entusiasmante" verso comode tecnologie indossabili per l'assistenza fisica e la regolazione termica. Sottolinea il semplice metodo di fabbricazione, che può aumentare la lunghezza della pompa in fibra prodotta. "Ciò dovrebbe aiutare a tradurre questa tecnologia fuori dal laboratorio e in pratiche applicazioni indossabili molto più rapidamente", aggiunge, sebbene sottolinei anche che i grandi campi elettrici e il fluido pompato specializzato potrebbero essere limiti del design attuale.

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"Noi operiamo ad alta tensione, ma il consumo energetico delle pompe è molto modesto", afferma Smith in risposta. Aggiunge che le pompe in fibra possono essere alimentate a batteria e trasportare una corrente ben al di sotto di qualsiasi soglia di sicurezza per l'interazione umana.

I ricercatori hanno dimostrato che le pompe in fibra possono applicare la pressione necessaria per attivare i muscoli artificiali, fornire stimoli tattili termici nei guanti e creare indumenti di raffreddamento attivo. In futuro sperano di ampliare la selezione dei liquidi che utilizzano, ma ora stanno principalmente cercando modi per migliorare l'efficienza delle pompe in fibra, renderle più lunghe e intrecciarle con altre fibre attive come sensori e attuatori, forse un giorno produrre un esoscheletro morbido e confortevole.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/researchers-develop-the-missing-component-in-robotic-textiles/