ETH Zurich  e Caltech un mini-sottomarino stampato in 3D che non necessita di propellente, alimentazione o motore per spostarsi. 

A novembre, i ricercatori del Politecnico federale di Zurigo ( ETH Zurich ) hanno pubblicato uno studio che spiega come i polimeri a memoria di forma possono essere il catalizzatore per la produzione di materiali adattabili che torneranno alla loro forma originale una volta riscaldati, come abbiamo visto prima . Il team ha utilizzato la stampa 3D, il design programmabile e i meta-materiali termoviscoelastici nello studio, e la professoressa Kristina Shea, insieme al suo dottorando Tian (Tim) Chen, ha sviluppato strisce polimeriche 3D di memoria a forma stampabile per l’esperimento.

Ora, la professoressa Shea e il suo team hanno collaborato con i ricercatori del California Institute of Technology ( Caltech ) per utilizzare queste strisce in una nuova dimostrazione di studio concettuale sulla stampa 3D e sulla robotica morbida. Il team di ricerca ha creato un mini-sottomarino stampato in 3D che non necessita di propellente, alimentatore o motore per spostarsi.

Il professor Shea ha spiegato: “Il principale aspetto del nostro lavoro è che abbiamo sviluppato un nuovo e promettente mezzo di propulsione completamente stampato in 3D, accordabile e che funziona senza una fonte di alimentazione esterna.”
Il team ha sviluppato un nuovo concetto di propulsione per i robot da nuoto, dove usano le fluttuazioni di temperatura nell’acqua per pagaiare. Una stampante 3D multimateriale è stata utilizzata per creare un mini-sub da 7,5 cm, dotato di paddle azionati da un elemento di propulsione bistabile. Questo elemento è innescato da due dei polimeri di memoria a forma di Professor Shea e Chen, che si espandono in acqua calda per agire come i muscoli per alimentare il robot.

Un articolo sul sottomarino stampato in 3D, intitolato ” Scoprire la bistabilità per la propulsione direzionale di robot morbidi e senza legami “, è stato recentemente pubblicato sulla rivista PNAS (Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d’America). Co-autori includono Chen,  Osama R. Bilal del Caltech, il professor Shea e  Chiara Daraio del Caltech.

L’abstract dice: “Nella maggior parte dei sistemi robotici macroscali, la propulsione e i controlli sono abilitati attraverso un cavo fisico o elettronica e batterie complesse a bordo. Una cavezza semplifica il processo di progettazione ma limita la gamma di movimento del robot, mentre i controlli e gli alimentatori integrati sono pesanti e complicano il processo di progettazione. Qui, presentiamo un semplice principio di progettazione per un robot di nuoto morbido e senza legami con propulsione programmata e direzionale, senza batteria o elettronica di bordo. La locomozione si ottiene utilizzando attuatori che sfruttano i grandi spostamenti di elementi bistabili innescati dai cambiamenti di temperatura circostanti. Alimentato da muscoli a memoria di forma (SMP), gli elementi bistabili attivano a loro volta le alette del robot. I nostri robot sono fabbricati utilizzando una stampante 3D disponibile in commercio in un’unica stampa.
Visualizzazione di un semplice mini-sottomarino con due paddle. [Immagine: Tim Chen, ETH Zurigo)
Una delle principali sfide della robotica morbida consiste nell’integrare l’azionamento, il controllo, la propulsione e il rilevamento in un unico meccanismo. Il principio di progettazione del robot morbido del team è un approccio basato sul materiale che può nuotare senza legami e completare attività pre-programmate, come consegnare merci e seguire percorsi specifici, senza elettronica, fonti di alimentazione o controllori a bordo.

Se l’acqua in cui il mini-sub è fluttuante viene riscaldata, i muscoli in espansione fanno scattare l’elemento bistabile, il che innesca una corsa della paletta. Ogni elemento attuatore del mini-sub può completare una corsa della paletta prima di una necessaria riprogrammazione manuale, anche se in futuro i ricercatori ritengono di poter stampare in 3D robot per il nuoto complessi dotati di diversi attuatori. Invece di affidarsi ai controllori o alla potenza, il materiale e la geometria del robot definiscono la forza, la tempistica e il movimento direzionale delle corse della paletta.

L’attuale robot stampato in 3D della squadra può remare in avanti in un colpo solo, rilasciare una moneta e tornare al punto di partenza con un colpo nella direzione opposta, e fa tutto questo semplicemente rilevando i cambiamenti di temperatura nell’acqua. Modificando la geometria dei muscoli polimerici a memoria di forma, gli scienziati possono definire la sequenza di attivazione della corsa: le sottili strisce di polimero reagiranno più rapidamente, poiché si riscaldano più velocemente nell’acqua calda.

In futuro, questo robot morbido da nuoto stampato in 3D potrebbe essere ulteriormente sviluppato per realizzare navi a bassa potenza per esplorare l’oceano; Inoltre, gli scienziati potrebbero anche utilizzare polimeri a memoria di forma che reagiscono a fattori ambientali come la salinità o l’acidità dell’acqua, invece della temperatura.

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