Close-up Engeneering

Nuovi muscoli artificiali ideati dal Sant’Anna di Pisa

Un nuovo tipo di muscolo artificiale che si allunga e si contrae per forze di attrazione elettrostatica, può sollevare carichi oltre 100 volte il suo peso.

Close-up Engineering

AUTORE: Mario Liuzzo

Close-up Engineering

PUBBLICATO IL: 3 Novembre 2023

Biomateriali

Un team di ricercatori del gruppo “Robotic mechanisms and materials” della Scuola Sant’Anna di Pisa, insieme ai dipartimenti di Ingegneria dell’Università di Trento e di Bologna, ha ideato un nuovo tipo di muscoli artificiali che ha la caratteristica di potersi allungaree contrarre.

Le principali caratteristiche

I nuovi muscoli artificiali possiedono una struttura che ricorda il mantice di una fisarmonica, mentre il movimento è prodotto da forze di attrazione elettrostatica. Una delle caratteristiche principali è che può sollevare carichi oltre 100 volte il suo peso.

Struttura dei Muscoli artificiali
Credits: Sant’Anna Magazine

Sulla rivista “Science Robotics”, il gruppo di ricercatori ha spiegato infatti come il concetto alla base può essere impiegato per produrre muscoli artificiali con dimensioni di pochi centimetri dalle caratteristiche simili a quelle dei muscoli umani, che raggiungono velocità e dimostrano forze molto elevate rispetto alle loro dimensioni.

Muscoli artificiali sempre più versatili ed economici

Questi nuovi muscoli artificiali sono inoltre multifunzionali, ovvero sono capaci di integrare, in unico sistema, funzionalità che di solito richiedono diversi dispositivi. La loro contrazione avviene sulla base di uno stimolo elettrico, ma può essere impiegato anche come una pompa, che fa circolare un fluido per dare movimento, ad esempio, a un robot. Al tempo stesso, il muscolo artificiale può anche diventare un generatore che permette di riciclare l’energia durante le fasi di frenata, aumentando la durata della batteria del sistema, proprio come avviene per le auto elettriche. Un’altra caratteristica è la loro versatilità, infatti grazie alla loro struttura modulare, hanno la capacità di essere adattati con facilità a diverse tipologie e specifiche di movimento.

Inoltre questi muscoli artificiali sfruttano una tecnologia a basso costo di attuazione. Infatti vengono impiegate delle sottili pellicole di materiale polimerico (plastiche) per realizzarli che risultano assai economiche e i relativi processi di fabbricazione sono replicabili su larga scala per avviare una produzione in serie.

Le caratteristiche del tessuto esomuscolare

Muscoli Artificiali
Credits: Muscoli artificiali per ridare l’uso della mano a chi l’ha perso

L’interfaccia prevede un innovativo tessuto esomuscolare che si connetterà direttamente al sistema muscolo-scheletrico tramite delle placche. I muscoli saranno esterni al corpo ma comunque ben integrati col paziente.

Il sistema sarà controllato da interfacce che permettono di capire quando la persona ha intenzione di muovere la mano. Questo permetterà di attivare dei motori o compressori che attivano fisicamente il sistema di assistenza. I muscoli artificiali combinano estrema portabilità alla velocità di strutture elastiche non lineari.

I materiali utilizzati per i muscoli arificiali

Le prestazioni di questi dispositivi dipendono anche dall’impiego di nuovi materiali come polimeri biodegradabili ad alte prestazioni, e attraverso lo studio di processi di fabbricazione avanzati. Molte infatti sono le aziende che stanno collaborando e si interessano dello sviluppo dei materiali.

Scopo della ricerca

Il progetto del Sant’Anna è molto ambizioso ed ha ottenuto dall’Unione europea un Erc starting grant da un milione e mezzo di euro di fondi. Esso, infatti, punta a migliorare la vita di chi ha subito un ictus o chi ha perso, per altri motivi, la possibilità di muovere la mano.

Si tratta infatti di sviluppare un sistema muscolare esterno, per muovere le dita della mano, realizzato con materiali innovativi quali tessuti e materiali compositi.

I muscoli artificiali già esistenti

In passato erano stati già sviluppati muscoli artificiali polimerici che avevano la possibilità di alimentarsi attraverso glucosio ed ossigeno. Questo permette di superare uno dei limiti dei precedenti prototipi, ovvero la necessità di utilizzare una batteria per l’alimentazione. Tutto ciò era possibile grazie al polipirrolo, un polimero organico altamente conduttivo che cambia il proprio volume se attraversato da corrente elettrica.

Quelli sviluppati al San’Anna di Pisa invece impiegano uno stimolo elettrico che viene impiegato come una pompa per dare movimento attraverso un fluido. Inoltre la possibilità di diventare un generatore che permette di riciclare l’energia durante le fasi di frenata, aumentando la durata della batteria del sistema, supera i limiti relativi all’alimentazione dei muscoli artificiali ideati in passato.

AUTORE

Mario Liuzzo

Laureato in Fisica presso l'Università di Pisa, e studente magistrale in Fisica Medica presso lo stesso ateneo. Mi interesso di scienza e in particolare delle applicazioni della fisica in ambito medico e non solo.

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