Robot e dispositivi indossabili potranno presto interagire meglio con persone e ambiente grazie a un sistema elettronico miniaturizzato in filamenti che consente di comandare i muscoli artificiali, in maniera simile a quanto accade nel corpo degli esseri viventi.
L’innovazione, basata micro-pompe elettroniche realizzate in forma di sottili fibre che possono anche essere intrecciate nei tessuti, potrebbe rivoluzionare i soft robot e i dispositivi wearable, rendendoli in grado di offrire feedback tattile e capacità di termoregolazione. Il lavoro è stato descritto in uno studio pubblicato sulla rivista Science dal ricercatore italiano Vito Cacucciolo.
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Il ‘cervello’ di ritorno e la ricerca sui muscoli
Cacucciolo ha conseguito la laurea Magistrale in Ingegneria meccanica a Bari nel 2013 e, grazie a un percorso di double degree con la New York University, consegue nello stesso anno un Master of Science in Mechanical Engineering. La sua tesi di laurea, sviluppata congiuntamente al Politecnico di Bari e alla New York University, ha come titolo “Analisi biomeccanica di un ginocchio umano” e consegue il primo premio dell’associazione Mimos (Movimento Italiano di Modellazione e Simulazione) nel 2013.
La New York University gli offre un PhD ma l’ingegner Cacucciolo non accetta, rientra in Italia e vince la selezione per il dottorato in BioRobotica presso la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, istituzione nella quale consegue il dottorato con lode nel 2017.
La sua ricerca di dottorato è focalizzata sullo studio dei muscoli animali, in particolare quelli dei cefalopodi quali il polpo, presi come modello per realizzare muscoli artificiali per robot ed esoscheletri: è un settore in forte evoluzione in grado di rivoluzionare la robotica. Vito Cacucciolo sviluppa modelli matematici di questi muscoli e del loro controllo neurale e realizza dei prototipi di muscoli artificiali azionati con fluidi invece che meccanicamente.
Nel laboratorio dell’Istituto di BioRobotica di Livorno Cacucciolo inizia una collaborazione con il professor Shingo Maeda, del Tokyo Institute of Technology. Il risultato è l’idea di movimentare dei fluidi attraverso l’uso dei campi elettrici. Il lavoro, pubblicato sulla prestigiosa rivista “Advanced Science” nel 2017, è il punto di partenza di una vera rivoluzione: i muscoli artificiali possono fare a meno delle pompe necessarie al loro funzionamento perché il fluido che li aziona si muove tramite l’applicazione di campi elettrici.
Le pompe diventano estensibili
A questo punto Cacucciolo contatta il professor Herbert Shea dell’EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne), a capo di un avanzato laboratorio focalizzato sui muscoli artificiali. Shea gli offre un posto in laboratorio per sviluppare questo progetto e quindi Vito Cacucciolo si trasferisce a Neuchâtel: nel 2019 la presentazione delle prime Stretchable Pumps: pompe miniaturizzate e realizzate interamente in elastomero della famiglia dei siliconi e capaci di azionare muscoli artificiali fluidici e dispositivi indossabili per termoregolazione.
Questi risultati derivano da un team che coinvolge, oltre al professor Shingo Maeda, anche il professor Dario Floreano e il dottor Jun Shintake dell’EPFL; lo studio “Stretchable Pumps for Soft Machines” viene inoltre pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature.
Il cammino verso le Fiber Pumps
Questa promettente ricerca ha indotto il Fondo Nazionale Svizzero a erogare finanziamenti per sostenerla, mentre Cacucciolo vince una Fellowship dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS). Le pompe allo stato solido, caratterizzate da dimensioni contenute, assenza di vibrazioni e costruzione flessibile, hanno un grande potenziale nell’utilizzo dei fluidi nella robotica e nei dispositivi indossabili.
Il ‘ricercatore di ritorno’ e il professor Shea, nel perseguire una maggiore utilizzabilità di questa tecnologia nei wearable devices, concepiscono le Fiber Pumps, così sottili da poterle inserire nella trama dei tessuti; per raggiungere lo scopo ideano elettrodi di controllo disposti a spirale.
Da Bari al MIT
Cacucciolo nel frattempo rientra in Italia e continua le attività di ricerca nel Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Politecnico di Bari e viene contattato dal Massachusets Institute of Technology per l’utilizzo dei suoi attuatori fluidici in tessuti attivi da utilizzare nella Human Computer Interaction. Il team composto da Vito Cacucciolo, Michael Smith e Herbert Shea realizza, per la prima volta al mondo, pompe che hanno l’aspetto di tubicini flessibili di 2 mm di diametro.
Queste Fiber Pumps movimentano liquidi grazie ai segnali di controllo generati da un controller a batteria grande quanto uno smartphone, ottenendo un risparmio di massa superiore al 90% rispetto ai classici sistemi fluidici. La rivista Science dedica a queste rivoluzionarie fiber pumps un articolo pubblicato il 31 marzo 2023.
Secondo Cacucciolo “questa invenzione sposterà le frontiere dell’utilizzo dei fluidi nei robot e nei dispositivi indossabili”. Non solo soft robot, quindi, ma anche dispositivi indossabili che potranno agire come esoscheletri, implementare termoregolazioni e comunicare forze, feedback tattili e variazioni di temperatura.
