Muscoli artificiali pneumatici composti da strutture stampate in 3D e in grado di allungarsi e contrarsi a seconda dell’esigenza: è questo il disegno innovativo dei GRACE – acronimo di GeometRy-based Actuators able to Contract and Elongate –, attuatori ideati dai ricercatori dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) a Genova e della Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA) a Pisa. Il loro lavoro è stato descritto sulla rivista Science Robotics; inoltre, i ricercatori hanno mostrato la versatilità degli attuatori in una prima dimostrazione: una mano pneumatica composta da 18 differenti GRACE, prodotta in un singolo processo di stampa.
L’importanza della realizzazione di muscoli artificiali nella robotica
La realizzazione di muscoli artificiali è un obiettivo molto ambizioso nel campo della robotica; in natura, il tessuto muscolare possiede caratteristiche complesse che consentono di avere movimenti molto versatili, da scatti veloci e potenti a piccole e precise deformazioni del corpo, come quelle della mimica facciale umana. Le singole fibre muscolari possano solo contrarsi, ma è il loro particolare arrangiamento in complesse architetture muscolari a rendere possibile le deformazioni articolate, quali flessione, torsione e movimenti antagonistici.
Il gruppo di ricerca italiano ha affrontato il problema partendo da singoli attuatori pneumatici. Ciascun attuatore può dilatarsi, allungarsi e accorciarsi semplicemente grazie alla propria forma geometrica, una sorta di fuso con le pieghe, composta da un corpo unico, stampabile in 3D e realizzabile con diversi materiali e in diverse dimensioni. Vari tipi di GRACE possono essere stampati direttamente assemblati tra loro in architetture complesse, così da soddisfare le esigenze di movimento.
“Le loro dimensioni sono limitate solo dalla tecnologia di fabbricazione adottata”, commenta Corrado De Pascali, primo autore dello studio e studente di dottorato nel laboratorio di Bioinspired Soft Robotics di IIT a Genova e all’Istituto di BioRobotica della SSSA di Pisa. “Possono essere costruiti in diverse grandezze, e possiamo variare la loro performance, sia in termini di deformazioni che di forza, e fabbricarli con materiali e tecnologie diverse, anche direttamente integrati nelle strutture da attuare”.
Una mano pneumatica stampata in 3D
I ricercatori hanno dimostrato le caratteristiche dei GRACE nella stampa di una mano pneumatica, realizzata con una stampante 3D commerciale e in unico processo di stampa. Il materiale usato è una resina soffice ed è composta da 18 GRACE di dimensioni e forme diverse, in modo che con una pressione di pochi decimi di bar è possibile fare piegare le dita, torcere il palmo e ruotare il polso. La mano pesa circa 100 grammi e ha dimensioni paragonabili a quelli di una mano umana.
Gli attuatori sono disegnati in modo da arrivare a sostenere oltre mille volte il loro peso, a seconda del materiale che si usa per fabbricarli. Le forze generate e le pressioni richieste possono essere aumentate o ridotte adottando materiali più o meno rigidi, oltre che modificando lo spessore della membrana che compone questi attuatori mantenendo invariate le performance di contrazione ed estensione.
Come è fatta la “mano robotica” basata su GRACE
La caratteristica distintiva dei GRACE è la loro estrema versatilità. Per mostrare la loro versatilità i ricercatori hanno stampato in 3D una mano robotica pneumatica completa basata su GRACE che consiste in un palmo, cinque dita con tendini incorporati e articolazioni flessibili e un polso mobile. I ricercatori hanno sviluppato questa mano robotica pneumatica per mostrare l’ampia varietà di movimenti fluidi che possono essere ottenuti incorporando GRACE in serie, in parallelo, in antagonisti configurazioni, di diverse dimensioni o direttamente incorporate in un complesso struttura funzionale. La mano piena ha dimensioni di 180 mm di altezza, 160 mm di larghezza per 50 mm di spessore. Come già accennato, la mano robotica contiene 18 GRACE di diverse dimensioni e tipologie: 14 GRACE-Cs in lunghezza 20 mm per il palmo della mano e quattro GRACE-As lunghi 30 mm nel polso. Ogni dito può muoversi indipendentemente attraverso un tendine controllato da tre (due per il pollice) GRACE-C in serie. Il polso è costituito da quattro GRACE-As vincolati da un giunto conforme e mette in mostra il funzionamento antagonistico dei GRACE. Contraendo due attuatori adiacenti ed estendendo gli altri due fanno deviare, flettere ed estendere il polso. Ogni articolazione del dito raggiunge una flessione di angolo di circa 25° mentre il polso raggiunge ±15° e ±30° di piegamento attorno all’asse perpendicolare e parallelo alla mano.
Conclusioni
Gli attuatori GRACE hanno le caratteristiche ideali per potere essere applicati in diverse soluzioni robotiche, in modo semplice e con costi molto contenuti. La loro semplicità di fabbricazione li rende replicabile anche al di fuori dei laboratori di ricerca, come per esempio nei fab lab a disposizione dei makers.
Il risultato è stato ottenuto nell’ambito degli studi della muscolatura animale previsti dal progetto europeo FET Proboscis coordinato da Lucia Beccai di IIT, e all’interno delle ricerche di robotica ispirata agli esseri viventi condotte dal Bioinspired Soft Robotics di IIT a Genova coordinato da Barbara Mazzolai, e in collaborazione con l’Istituto di BioRobotica della SSSA a Pisa.
