Questo muscolo artificiale muove le cose da solo

May 08, 2023

Max G. Levy

Nel reparto prodotti di un negozio di alimentari, il cetriolo è banale. Ma nel reparto vivaio di un negozio di ferramenta, dice Shazed Aziz, la pianta di cetriolo è una meraviglia.

Un paio di anni fa, Aziz attraversò Bunnings Warehouse, una catena di ferramenta australiana, dirigendosi dritto verso una particolare pianta di cetriolo. Il giorno prima, aveva notato i suoi peculiari viticci: steli sottili che sporgono dalla pianta in spire di varie dimensioni e che le viti di cetriolo usano per raggiungere le superfici e sollevarsi per accedere a più luce solare. Alla sua prima visita, quei riccioli a forma di elica erano lunghi e sciolti. "Quando sono tornato al negozio il giorno successivo, avevano un contratto", afferma Aziz, postdoc in ingegneria dei materiali presso l'Università del Queensland.

Rintracciò un membro dello staff e gli chiese perché lo stabilimento fosse cambiato così tanto e così velocemente. Potrebbe essere secco, malato o morente? No. La pianta rispondeva semplicemente all’umidità e a una giornata calda, in modo simile al modo in cui un girasole gira per seguire il sole, un fenomeno chiamato tropismo.

Come ingegnere, Aziz si rianimò al pensiero di un materiale naturale rispettoso dell'ambiente. Aveva conseguito un dottorato di ricerca studiando i muscoli artificiali, nuovi tipi di attuatori che sono componenti di un dispositivo che, come i nostri muscoli, converte gli stimoli in movimento e può essere utilizzato per realizzare indumenti alimentati, protesi versatili e dispositivi per la mobilità azionati da elettricità o acqua pressurizzata. o aria.

Sebbene questi dispositivi siano spesso costituiti da materiali artificiali come polimeri conduttivi o “leghe a memoria di forma” che si muovono tra forme particolari, i ricercatori che studiano questi concetti traggono ispirazione dalla natura: versatili tentacoli di polpo, potenti proboscidi di elefante e veloci colibrì. Il cetriolo mutaforma del Bunnings Warehouse ha dato ad Aziz un'idea: qualcuno potrebbe copiare non solo la forma elicoidale di una pianta, ma il suo comportamento autonomo?

Pianta al seguito, Aziz tornò a casa e fece un brainstorming su come presentare il progetto al suo mentore. Poi si è tuffato in articoli accademici per conoscere i viticci di cetriolo in modo da poter decodificare il loro comportamento. Come si contraggono e si espandono? Come si arrampicano contro la gravità? Scoprì che le piante elicoidali formano spire a un livello più profondo dei loro viticci. Fili di microscopiche fibre di cellulosa chiamate microfibrille si attorcigliano all'interno delle cellule vegetali, che a loro volta si attorcigliano all'interno di fasci cellulari, che a loro volta si attorcigliano all'interno di spire di viticci.

Ha deciso di imitare quella struttura microscopica con un attuatore che ha strati su strati di torsioni, sperando di catturare il movimento di una pianta. Conosceva solo il materiale con cui iniziare: il filato. I filati sono già fasci di fibre strettamente attorcigliati. Le torsioni vegetali sono integrate a livello molecolare e, poiché il filato è morbido, sarebbe facile avvolgerlo in più dimensioni.

Sei mesi dopo, Aziz aveva un prototipo: un filo di cotone avvolto infuso con speciali polimeri che assorbono e trattengono l'acqua, chiamati idrogel. Scrivendo su Advanced Materials a maggio, il suo team ha descritto l'imitazione delle spire di espansione e contrazione delle piante elicoidali fino a un livello microscopico, dimostrando che la loro molla di filo si contraeva automaticamente quando era bagnata o fredda ed era abbastanza potente da spostare piccoli oggetti da sola.

"Sembra davvero imitare abbastanza bene il comportamento delle piante", afferma Heidi Feigenbaum, un ingegnere meccanico della Northern Arizona University che è stato coinvolto in progetti in cui lenze da pesca attorcigliate o polimeri cavi si espandono e si contraggono come muscoli, ma non fa parte del metodo di Aziz. squadra. Ritiene che gli attuatori a spirale siano un vantaggio per il settore grazie alla flessibilità e alla resistenza che forniscono.

Jeremy Bianco

Emily Mullin

Personale CABLATO

Will Cavaliere

L'esperimento che imita il cetriolo è la prima dimostrazione del tropismo vegetale in un attuatore, e fa parte di un movimento verso la robotica "morbida", che utilizza attuatori costruiti con materiali fluidi come stoffa, carta, fibre e polimeri, piuttosto che rigidi. giunti metallici, per privilegiare il movimento versatile. La morbidezza migliorerebbe i robot in situazioni in cui la flessibilità e il design a basso profilo sono importanti, come durante un intervento chirurgico. E un robot morbido autonomo potrebbe operare in luoghi dove non c’è energia elettrica e dove non c’è gente.