Dopo i muscoli artificiali a matrice polimerica, dal Dipartimento di scienze meccaniche ed ingegneria (MechSE) dell’Università dell’Illinois arrivano i nuovi muscoli ancora più forti e resistenti grazie alle fibre di carbonio. Queste, unite ad una gomma polimerica, il polidimetilsilossano (PDMS), e avvolte in una struttura a spirale, formano strutture che possono sollevare fino a 12600 volte il proprio peso. Non è tutto: possono infatti sostenere anche 60 MPa di sforzo meccanico e produrre un lavoro specifico (espresso in J/kg) 18 volte maggiore a quello dei muscoli naturali.

La gamma di applicazioni di questi muscoli artificiali, a basso costo e leggeri, è molto ampia e coinvolge diversi campi come la robotica, la protesica, l’ortesica e i dispositivi di assistenza umana“, afferma Caterina Lamuta del MechSE.

Il funzionamento

Dettaglio muscolo artificiale
Dettaglio di un filamento di muscolo artificiale dal diametro di 0.4 mm
Credits: MechSE Illinois

La contrazione dei filamenti avviene grazie alla pressione interna generata dalla gomma siliconica, che può essere indotta applicando una tensione, calore o causandone il rigonfiamento con l’applicazione di un solvente, come l’esano liquido. Questa pressione spinge verso l’esterno le fibre di carbonio comportando così l’espansione del diametro del muscolo ed il conseguente accorciamento di tutta la sua lunghezza.

La caratterizzazione sperimentale è avvenuta applicando una tensione continua al filamento, avente l’estremità superiore fissa e un carico attaccato a quella inferiore, che provocasse il risaldamento della gomma. I risultati hanno mostrato prestazioni eccellenti senza che venisse richiesta un’elevata tensione in ingresso. Nello specifico, un fascio muscolare dal diametro di 0.4 mm è stato in grado di sollevare di 3,6 cm circa 1,9 litri di acqua, con una tensione applicata di soli 0,172 V/cm.

I ricercatori hanno, inoltre, proposto un modello matematico che possa favorire anche chi vorrà continuare a sviluppare e migliorare questa tecnologia.

Il modello matematico che abbiamo proposto è un utile strumento di progettazione per adattare le prestazioni dei muscoli artificiali a spirale in base alle diverse applicazioni. Inoltre, il modello fornisce una chiara comprensione di tutti i parametri che giocano un ruolo importante nel meccanismo di attuazione, e questo incoraggia i lavori di ricerca futuri verso lo sviluppo di nuove tipologie di fibre muscoli rinforzate con proprietà potenziate.

Conclude Lamuta.

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