Piccolo ultraveloce

Jun 09, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4456 (2022) Citare questo articolo

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La locomozione ad alta velocità è una strategia di sopravvivenza essenziale per gli animali, poiché consente di popolare ambienti difficili e imprevedibili. I robot morbidi di ispirazione biologica beneficiano ugualmente di movimenti versatili e ultraveloci, ma richiedono meccanismi di guida e progettazione di dispositivi adeguati. Qui presentiamo una classe di robot elettromagnetici morbidi su piccola scala costituiti da doppi strati elastomerici curvi, guidati da forze di Lorentz che agiscono su canali di metallo liquido stampato incorporati che trasportano correnti alternate con tensioni di pilotaggio di diversi volt in un campo magnetico statico. La loro prestazione risonante dinamica è studiata sperimentalmente e teoricamente. Questi robot robusti e versatili possono camminare, correre, nuotare, saltare, sterzare e trasportare merci. Le loro versioni legate raggiungono velocità di corsa ultra elevate di 70 BL/s (lunghezze del corpo al secondo) su substrati ondulati 3D e 35 BL/s su substrati planari arbitrari, mentre la loro velocità massima di nuoto è di 4,8 BL/s in acqua. Inoltre, le versioni prototipo senza vincoli corrono e nuotano a una velocità massima di 2,1 BL/s e 1,8 BL/s, rispettivamente.

Gli organismi naturali, come ghepardi, conigli o scarafaggi, utilizzano la locomozione ad alta velocità come una delle loro principali strategie di sopravvivenza per cacciare cibo o fuggire dai predatori. La velocità relativa in termini di lunghezze corporee (BL) al secondo quantifica la velocità di diversi organismi in un ampio spettro di dimensioni corporee e può arrivare fino a 323 BL/s per l'acaro Paratarsotomus macropalpis1. La tecnologia consente la locomozione ad alta velocità principalmente attraverso macchine di grandi dimensioni (BL > 100 mm) e motori ad alta potenza (come motori a combustione o elettrici), con il risultato di auto di Formula Uno (50 BL/s) o robot quadrupedi2 che corrono a 9,1 BL/s. Tuttavia, la progettazione di robot su piccola scala ad alta velocità (1 mm < BL ≤ 100 mm) è impegnativa a causa delle difficoltà nella miniaturizzazione dei tradizionali motori e sistemi di trasmissione ad alte prestazioni. Strutture semplici realizzate con materiali intelligenti offrono possibilità alternative per costruire robot miniaturizzati. Titanato zirconato di piombo (PZT)3 e leghe a memoria di forma (SMA)4 sono due materiali rigidi intelligenti rappresentativi implementati in robot di dimensioni millimetriche, ma presentano corse di attuazione troppo piccole o basse frequenze per consentire la locomozione ad alta velocità. La robotica emergente e l’interazione uomo-robot richiedono inoltre progetti morbidi, sicuri, veloci e robusti in grado di funzionare in ambienti difficili e dinamici. Un esempio estremo è lo stomaco umano, sottoposto a compressione meccanica durante la digestione e contenente fluidi acidi. La prevenzione o il trattamento delle malattie legate al tratto gastrointestinale promuove lo sviluppo di mini-robot morbidi per la somministrazione di farmaci o la chirurgia non invasiva5.

Per affrontare questi problemi, sono emersi materiali morbidi e intelligenti per la robotica, come fibre polimeriche termosensibili6, gel polimerici sensibili al pH7, polimeri a cristalli liquidi sensibili alla luce8 e materiali sensibili ai campi elettrici/magnetici9,10,11,12,13. Tuttavia, le fibre polimeriche termo-reattive e i gel polimerici sensibili al pH si basano sulla lenta diffusione di ioni o calore e quindi non sono abbastanza veloci per la locomozione ad alta velocità nei robot. I polimeri a cristalli liquidi sensibili alla luce8 possono essere attivati ​​a frequenze superiori a 10 Hz, ma la necessità di illuminazione modulata e ambienti trasparenti limita le loro possibilità di applicazione14. Gli elastomeri sensibili al campo elettrico/magnetico, come gli elastomeri dielettrici (DE) e gli elastomeri magnetici morbidi (SME), presentano tipicamente tempi di risposta rapidi, con vibrazioni nell'intervallo dei kHz9,10,11,12. Gli svantaggi dei DE sono le elevate tensioni di attuazione (nell'ordine dei kV), che pongono potenziali problemi di sicurezza e impediscono la miniaturizzazione. I robot delle PMI sono sicuri, hanno una risposta rapida e sono facili da miniaturizzare, ma hanno difficoltà con progetti di robot a moduli multipli o a sciame, poiché richiedono campi magnetici globali e sintonizzabili dinamicamente14,15,16. Gli attuatori elettromagnetici morbidi (SEMA) comprendenti bobine di metallo liquido (LM) incorporate in substrati elastomerici hanno una migliore controllabilità locale e presentano prestazioni elevate in un forte campo magnetico statico, come esiste, ad esempio, in una macchina per risonanza magnetica (MRI)9. I progressi nella stampa 3D LM consentono la miniaturizzazione dei SEMA su scala almeno millimetrica, aprendo percorsi verso la locomozione ad alta velocità in robot morbidi di dimensioni da micrometri a centimetri17.