Il cetriolo è banale visto in un negozio di alimentari. Ma nella sezione vivai di un negozio di ferramenta, spiega Shazed Aziz, assegnista di ricerca in ingegneria dei materiali presso l'Università del Queensland, la pianta di cetriolo è una meraviglia. Un paio di anni fa, Aziz ha attraversato Bunnings Warehouse, una catena di ferramenta australiana, alla ricerca di una particolare pianta di cetriolo. Il giorno prima aveva notato i suoi particolari viticci, sottili steli che sporgono dalla pianta in spire di varie dimensioni, usati dalle piante di cetriolo per raggiungere le superfici e tirarsi su in modo da avere accesso alla luce del sole. Durante la prima visita, i riccioli elicoidali erano lunghi e sciolti. "Ma quando sono tornato al negozio il giorno dopo erano contratti", racconta.
Ha rintracciato un membro del personale e ha chiesto perché la pianta fosse cambiata così tanto e così velocemente. Era possibile che si fosse seccata? Oppure era malata o morente? No. La pianta stava semplicemente rispondendo all'umidità e alla giornata calda, come un girasole che si orienta per seguire il sole: un fenomeno chiamato tropismo.
L'ispirazione che viene dalla natura
Da ingegnere, Aziz si è entusiasmato al pensiero di un materiale naturale che risponde all'ambiente. Ha conseguito un dottorato di ricerca studiando i muscoli artificiali, nuovi tipi di attuatori che fanno parte di un dispositivo che, come i nostri muscoli, converte gli stimoli in movimento e può essere utilizzato per realizzare indumenti alimentati dall'elettricità, protesi versatili e dispositivi per la mobilità azionati dall'elettricità oppure da acqua o aria pressurizzate.
I ricercatori che lavorano a questi progetti traggono ispirazione dalla natura, sebbene i loro dispositivi siano spesso costituiti da materiali artificiali come polimeri conduttivi o “leghe a memoria di forma”.
Il cetriolo mutaforma del Bunnings Warehouse aveva dato ad Aziz un'idea: si poteva copiare non solo la forma elicoidale di una pianta, ma anche il suo comportamento autonomo?
L'assegnista si è così immerso negli articoli accademici per imparare a conoscere i viticci del cetriolo, in modo da poterne decodificare il comportamento. Come si contraggono e si espandono? Come si arrampicano contro la gravità? Ha scoperto che le piante elicoidali formano spire a un livello più profondo dei loro viticci. Le microfibrille – fili di microscopiche fibre di cellulosa – si attorcigliano all'interno delle cellule vegetali, che a loro volta si attorcigliano all'interno dei fasci cellulari, che a loro volta si attorcigliano nelle spire dei viticci.
Aziz ha quindi deciso di imitare questa struttura microscopica con un attuatore che presenta strati su strati di torsioni, nella speranza di ottenere un movimento simile a quello delle piante. Conosceva il materiale giusto per iniziare: il filato. I filati sono già fasci di fibre strettamente attorcigliate. Le torsioni simili a quelle delle piante sono integrate a livello molecolare e, poiché il filato è morbido, avvolgerlo su più livelli sarebbe stato facile.
Sei mesi dopo, Aziz aveva un prototipo: un filo di cotone avvolto e infuso con speciali polimeri che assorbono e trattengono l'acqua, chiamati idrogeli. Sul numero di Advanced Materials di maggio, il suo team ha descritto un processo in grado di imitare le spire che si espandono e contraggono fino a un livello microscopico nelle piante elicoidali, 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.
I vantaggi per la robotica
"Sembra davvero imitare il comportamento delle piante", afferma Heidi Feigenbaum, ingegnere meccanico della Northern Arizona University, che ha partecipato a progetti in cui fili da pesca attorcigliati o polimeri cavi si espandono e si contraggono come muscoli, ma non fa parte del team di Aziz. Ritiene che gli attuatori a spirale siano un vantaggio per il settore grazie alla flessibilità e alla forza che offrono.
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, invece giunti metallici rigidi, per privilegiare la versatilità dei movimenti.
In situazioni in cui la flessibilità e il design a basso profilo sono importanti, la morbidezza migliorerebbe i robot. Inoltre, un robot morbido autonomo potrebbe operare in luoghi dove non c'è alimentazione elettrica e non ci sono persone.
"Per il nostro lavoro, il successo è dimostrare che i materiali artificiali possono anche comportarsi come le creature naturali - le piante, in questo caso", dice Aziz. "Così abbiamo dato ai materiali artificiali un grado di intelligenza naturale".
Il filato, naturalmente, non può muoversi da solo. Deve essere infuso con un materiale aggiuntivo che lo renda reattivo.
Aziz ha fatto passare i suoi fili in tre diverse soluzioni. Una, un idrogel di alginato (sale dell’acido alginico, ndr), avrebbe permesso al dispositivo di assorbire acqua. Un'altra, un idrogel di poliuretano, lo rendeva meno fragile. Lo strato finale era un rivestimento termoregolante. Poi ha avvolto il filo intorno a un'asta di metallo per farlo avvolgere come un viticcio di cetriolo. Il prodotto finale sembra una lunga molla color magenta scuro.
Il suo team ha testato le capacità del "muscolo" del filo con una serie di esperimenti.
Poi hanno chiesto: questo dispositivo sarebbe in grado di chiudere una finestra?
Naturalmente, un filo è troppo fragile per muovere una finestra di vetro di dimensioni reali, indipendentemente dal numero di giri che gli si possono dare. Il team di Aziz ha quindi realizzato una versione in plastica delle dimensioni di un palmo. La finestra aveva due vetri che potevano essere uniti per chiudersi come persiane. Hanno tessuto il piccolo muscolo magenta attraverso entrambi i vetri. Con uno spruzzo d'acqua, il filo si contraeva, unendo le persiane fino a chiudere completamente la finestra.
Per Aziz, la bellezza di questa microstruttura è la reversibilità.
Altri materiali muscolari artificiali […] spesso si deformano in modo irreversibile, un limite all'uso ripetuto. In questo caso, invece, la bobina può contrarsi o rilassarsi indefinitamente, rispondendo alle condizioni atmosferiche.
Casi d'uso
Come potrebbe tornare utile nel mondo reale? Aziz pensa a dispositivi economici che potrebbero raccogliere dati ambientali o scientifici in luoghi remoti con condizioni inospitali o mutevoli e dove l'azionamento è un vantaggio […].
Feigenbaum dice che gli attuatori che si muovono senza aria pressurizzata o batterie potrebbero essere utili, ma affidarsi al cotone e agli idrogel per assorbire acqua o trasferire calore richiede tempo. Il filato può impiegare minuti per trasformarsi completamente: "È più simile ai viticci delle piante che ai muscoli umani. In questo caso, l'attuazione è molto più lenta", spiega l'autrice. Al contrario, i suoi muscoli cavi a polimeri intrecciati rispondono all'aria o all'acqua ad alta pressione in una frazione di secondo.
Al momento, ci si può aspettare "prestazioni molto più veloci" di questi attuatori simili alle piante, concorda Polina Anikeeva, scienziata dei materiali e ingegnere neurale del Mit che non ha partecipato al nuovo lavoro. Nel 2019, il team di Anikeeva ha creato attuatori fatti di fibre polimeriche "bimorfe" che formano eliche sotto sforzo e potrebbero essere utilizzate per arti protesici forti. Sono riusciti a farli contrarre in meno di un secondo quando vengono riscaldati e a sollevare oltre 600 volte il loro peso. A giugno, il suo team ha trasformato i muscoli elicoidali in piccoli robot guidati da magneti.
Ma la ricercatrice immagina i casi in cui i muscoli a base di idrogel come quelli di Aziz potrebbero essere utili: "Gli idrogel performano davvero in contesti biomedici", dice Anikeeva. Si chiede se potrebbero funzionare come muscoli artificiali da impiantare in un tessuto umano reale per aiutarne la riparazione. Un muscolo a base di idrogel potrebbe corrispondere alla meccanica del corpo, soprattutto se gli ingegneri riuscissero a far sì che gli attuatori rispondano agli stimoli biologici come fanno i nervi e i muscoli reali, anziché limitarsi a rispondere all'acqua o al calore.
Feigenbaum immagina anche che, nella robotica, i muscoli robotici morbidi possano essere usati per movimenti più creativi e naturali. Immaginate il classico braccio robotico, con una spalla collegata a un braccio superiore, un gomito collegato a un braccio inferiore e così via..[…] I materiali più morbidi offrono una maggiore gamma di movimenti e flessibilità, muovendosi in più direzioni e in più punti rispetto a quanto permetterebbero le articolazioni rigide. Immaginate il movimento di un serpente paragonato a quello di una cerniera di una porta: "Molte di queste tecnologie robotiche morbide ci porteranno verso una robotica meno somigliante a dei collegamenti", dice Aziz.
Aziz spera di migliorare il carico utile e la reattività dei muscoli e ha in programma di creare versioni simili con polimeri chiamati termoplastici che garantirebbero un maggiore controllo sulla temperatura a cui gli attuatori rispondono. Il team non sta ancora incorporando attuatori simili a quelli delle piante in nessun robot, ma una volta che ci avranno provato, non si sa che tipo di nuove porte (o finestre) potranno aprire.