Attuazione indotta diretta e remota nei muscoli artificiali basati su reti di fibre elettrofilate

Jan 20, 2024

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13084 (2022) Citare questo articolo

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Il presente lavoro riporta una nuova configurazione di muscolo artificiale morbido basato su una rete di fibre di nylon 6/6 micrometriche ricoperte di metallo fissate ad un sottile film di polidimetilsilossano (PDMS). Il processo di preparazione è semplice e implica l'attacco di reti di fibre metallizzate a un substrato in foglio PDMS durante il riscaldamento e l'applicazione della compressione. Il composito risultante è versatile e può essere tagliato in diverse forme in funzione dell'applicazione ricercata. Quando una corrente elettrica attraversa la rete metallica, viene prodotto calore che provoca una dilatazione locale e una successiva deformazione controllata. Per questo motivo, il muscolo artificiale mostra un movimento rapido e ampio (spostamento massimo di 0,8 cm) quando viene applicato un voltaggio relativamente basso (2,2 V), conseguenza del contrasto tra i coefficienti di dilatazione termica del substrato PDMS e del web- come l'elettrodo. È stato dimostrato che la corrente elettrica che produce questo effetto può provenire sia da contatti elettrici diretti, sia da configurazioni non vincolate, cioè indotte da radiofrequenza. Solitamente, per gli attuatori ad attivazione termica, il riscaldamento viene prodotto utilizzando film metallici o materiali conduttivi a base di carbonio, mentre in questo caso un rapido processo di riscaldamento/raffreddamento viene ottenuto utilizzando riscaldatori a base di microfibra. Questo nuovo approccio per i dispositivi non collegati è un percorso interessante da seguire, aprendo un’ampia gamma di applicazioni in cui sono necessari l’attuazione autonoma e il trasferimento remoto di energia.

Il campo di ricerca che si occupa dei muscoli artificiali si è evoluto costantemente durante l'ultimo decennio. Il crescente interesse è alimentato dallo sviluppo di ambiti applicativi come la robotica (oggigiorno è in atto un’intensa ricerca di robot morbidi, simili ad animali) o i dispositivi medico-sanitari1,2,3,4,5,6,7. Tipi nuovi e migliorati di tali componenti sono sviluppati e riportati in letteratura, i processi di attuazione utilizzati essendo basati su un'ampia gamma di fenomeni fisici e chimici. Spaziando dai muscoli polimerici conduttori controllati elettrochimicamente a quelli attivati ​​pneumaticamente o termicamente, è facile notare un costante miglioramento delle capacità8,9,10,11,12,13,14. Tuttavia, c’è ancora molta strada prima di raggiungere risultati simili, in termini di funzionalità ed efficienza, sia per i muscoli biologici da un lato, sia per i motori meccanici, elettromeccanici o pneumatici dall’altro. Miglioramenti nel settore vengono costantemente segnalati sia nei meccanismi di attuazione che nelle tipologie o combinazioni di materiali. Vengono studiati vari materiali come polimeri conduttori o piezoelettrici, elastomeri, leghe a memoria di forma, ciascuno con la sua specifica modalità di attuazione, i suoi vantaggi e svantaggi15,16,17,18,19,20,21,22.

Per ottenere l'attuazione vengono sfruttate modifiche strutturali indotte elettrochimicamente, piezoelettricità, caratteristiche termiche o altre caratteristiche intrinseche. Gli elastomeri dielettrici sono tra le preferenze per la fabbricazione di muscoli artificiali morbidi a causa delle caratteristiche che includono elevata elasticità, leggerezza e risposta meccanica a un campo elettrico applicato. Tuttavia, sorgono problemi a causa delle tensioni relativamente elevate necessarie per l'attuazione e della necessità di impiegare elettrodi con una flessibilità simile per ottenere un'elevata funzionalità.

L'utilizzo di compositi contenenti particelle o strutture microscopiche come nanotubi di carbonio e grafene è diventato un percorso ampiamente utilizzato per ottenere proprietà migliorate o nuove funzionalità2,23,24,25. Aouraghe et al. ha proposto un attuatore elettrotermico basato su un film composito PDMS/nanotubi di carbonio che mostra un importante angolo di curvatura (~ 200°) ad una temperatura di circa 350°C ottenuta quando viene applicata una tensione relativamente elevata26. Tuttavia, l'attuatore impiega molto tempo per recuperare la forma iniziale (~ 150 s). Allo stesso modo, Sun et al. hanno riportato la fabbricazione di un attuatore elettrotermico basato su nanotubi di carbonio e PDMS che può piegarsi di ~ 540° per una tensione applicata di 12 V27. Questo attuatore impiega inoltre molto tempo per raggiungere l'angolo di piegatura allo stato stazionario (130 s). Yao et al. ha sviluppato un attuatore bimorfo basato su PDMS e nanofili d'argento (AgNws) che si piega di 30 mm a una bassa tensione applicata di 4,5 V28. Tuttavia, l'attuatore impiega un tempo relativamente lungo per raggiungere il massimo grado di spostamento (~ 40 s) e per recuperare la sua posizione iniziale (~ 60 s). Hu et al. ha proposto un altro attuatore bimorfo basato su una spugna di grafene e PDMS che raggiunge una flessione massima di 12 mm in un tempo relativamente lungo (60 s) con una tensione applicata relativamente bassa di 10 V29.