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Parti mobili in carta per robot
I ricercatori dell'Università Inha in Corea del Sud hanno dimostrato che la cellulosa, l'ingrediente principale della carta, può piegarsi in risposta all'elettricità. La cellulosa trattata è leggera, economica e ha bassi requisiti di potenza, rispetto a materiali elettricamente attivi simili.
Questa sottile pellicola di cellulosa rivestita d'oro si agita come ali di libellula in risposta a una corrente elettrica. Il materiale, chiamato carta elettroattiva, può fungere da ali per piccoli robot volanti. (Per gentile concessione di Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)
I ricercatori coreani stanno ora lavorando con la NASA per sviluppare veicoli volanti delle dimensioni di un insetto, alimentati in modalità wireless con ali di carta che svolazzano. Tali veicoli potrebbero volare in aree non sicure per l'uomo e testare gas pericolosi, o osservare la superficie di Marte dall'aria.
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I ricercatori, guidati da Jaehwan Kim , professore associato all'università, ha prodotto la cellulosa elettricamente attiva sciogliendo la pasta di carta, formandola in fogli e rivestendola con uno strato d'oro come elettrodo. Alcune aree del film di cellulosa sono molto ordinate, mentre in altre aree i fili di cellulosa sono aggrovigliati come spaghetti. Il movimento degli ioni attraverso la carta - e il movimento degli stessi filamenti di cellulosa, che hanno estremità caricate negativamente e positivamente - fa sì che la carta si pieghi in risposta a una corrente elettrica. La piegatura è guidata dalle regioni ordinate, ma lo spazio libero nelle regioni disordinate consente agli ioni di fluire più liberamente e aumenta la capacità della carta di deformarsi.
I materiali che si muovono in risposta alla corrente elettrica sono chiamati piezoelettrici. La cellulosa di Kim fa parte di una nuova classe di questi materiali, chiamati polimeri elettroattivi, che hanno suscitato entusiasmo nella comunità scientifica per i loro potenziali usi in molte aree: muscoli artificiali, sensori chimici, display visivi, parti mobili di robot e batterie.
Il valore della carta elettricamente attiva è che è leggera e ha un'elevata deflessione [movimento] a bassa tensione rispetto ai polimeri elettroattivi tradizionali, afferma Sang Choi, ricercatore senior presso il Langley Research Center della NASA. Quando viene applicata una piccola tensione alla carta di Kim, può spostarsi per una distanza relativamente grande; per esempio, negli esperimenti, la punta di una striscia di carta elettroattiva lunga 30 millimetri è stata spostata di 4,2 millimetri. Infatti, l'intensità del campo elettrico richiesta per spostare la punta della carta al suo massimo spostamento è di uno o due ordini di grandezza inferiore a quella richiesta da altri polimeri elettroattivi. E la carta può cambiare forma rapidamente, muovendosi avanti e indietro alla velocità di una volta ogni 0,06 secondi.
Choi della NASA è interessato al materiale di Kim perché, rispetto ai tradizionali piezoelettrici e ad altri polimeri elettroattivi, è molto leggero e richiede pochissima energia. Insieme, Choi e Kim stanno progettando un piccolo veicolo volante con ali di cellulosa alimentate da microonde ambientali. Choi afferma che la NASA si aspetta che questi robot svolgano un ruolo importante nelle sue missioni esplorative a lungo termine. Ad esempio, piccoli robot con parti mobili fatte di carta o altri materiali potrebbero volare bassi sulla superficie marziana per monitorarne la topologia. Tuttavia, non è chiaro se la cellulosa possa resistere alle condizioni estreme nello spazio.
I film di cellulosa che Kim ha realizzato finora non possono esercitare molta forza, un must per le applicazioni di robotica. Quindi sta lavorando con Zoubeida Ounaies , assistente professore di ingegneria aerospaziale presso la Texas A&M University, per rafforzare questa cellulosa intelligente. Ounaies aggiunge alla cellulosa disciolta i nanotubi di carbonio, apprezzati per la loro elevata conduttività elettrica e resistenza. La miscela è ancora in fase di studio, ma l'idea è che i film di filamenti di cellulosa intimamente intrecciati con i nanotubi di carbonio possano esercitare una forza maggiore rispetto ai film di pura cellulosa.
La cellulosa è economica e facilmente reperibile: il film di Kim può anche essere realizzato trattando la carta disponibile in commercio. In confronto, il polimero elettricamente attivo più comunemente usato, la polianilina, costa $ 68 al grammo, afferma Victoria Finkenstadt , un chimico di ricerca presso l'USDA Agricultural Research Service. Sebbene la robustezza e la forza della cellulosa debbano ancora essere dimostrate, potrebbe anche rivelarsi un buon materiale per i muscoli artificiali utilizzati nella robotica, afferma Finkenstadt.
Questi materiali possono darci una locomozione [robot] che non abbiamo mai sognato, dice Kwang J. Kim , professore associato di ingegneria meccanica presso l'Università del Nevada a Reno (che non era coinvolto nella ricerca sulla cellulosa). Ma Kim afferma che il campo dei polimeri elettricamente attivi è ancora giovane e i ricercatori stanno ancora sviluppando applicazioni. Fra qualche anno verranno fuori tecnologie interessanti, prevede.