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Polimeri elettroattivi
Nell'Artificial Muscle Research Institute dell'Università del New Mexico, l'elettricità è nell'aria. Quando il direttore del laboratorio Mohsen Shahinpoor applica una tensione a una mano artificiale fatta di un composito di metallo polimero, le sue dita si piegano a pugno. Dai un'occhiata al laboratorio e vedrai pesci robotici nuotare, sbattere le ali e sollevare le braccia: tutti guadagnano muscoli da polimeri attivati elettricamente. Hai già visto i robot, ma c'è qualcosa di diverso in questi. Loro guardano vivo .
Dall'inizio degli anni '90, scienziati e ingegneri dei materiali hanno sviluppato polimeri elettroattivi da utilizzare come sensori, attuatori e muscoli artificiali. Una tensione applicata modifica la composizione del polimero o la struttura molecolare in modo che si espanda, si contragga o si pieghi. Il movimento è più fluido e realistico del movimento generato da dispositivi meccanici: come i muscoli, i polimeri sono flessibili, non ostacolati dalla goffa rigidità di ingranaggi e cuscinetti. Gli scienziati ritengono che con questa somiglianza con il movimento naturale, i polimeri elettroattivi potrebbero rivoluzionare la robotica e i dispositivi biomedici. Tali materiali potrebbero consentire di progettare robot che manovrano con la grazia di un umano, gambe protesiche che si muovono e si sentono vere e sistemi di microconsegna impiantabili che pompano i farmaci in modo fluido e silenzioso dove sono necessari.
Questa storia faceva parte del nostro numero di dicembre 2002
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Fino a poco tempo, tuttavia, i polimeri elettroattivi hanno presentato problemi pratici. Hanno consumato troppa energia. Non potevano generare abbastanza forza. E non sono durati abbastanza. Ma i ricercatori nel mondo accademico e industriale hanno trovato modi per rendere i polimeri più forti, più robusti e più efficienti. Questi miglioramenti, afferma Yoseph Bar-Cohen, ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA e uno dei pionieri del settore, consentiranno una più rapida implementazione delle idee di fantascienza nella realtà ingegneristica.
Lo scorso settembre, in una svolta che potrebbe portare a dispositivi medici a bassa potenza, Qiming Zhang e i suoi colleghi della Pennsylvania State University hanno riferito di aver creato un attuatore elettroattivo che richiede un decimo della tensione precedentemente necessaria. Il progresso chiave di Zhang: un composito polimero-semiconduttore che ottiene più energia elettrica per il dollaro e rimane molto flessibile. I vantaggi di questa classe di dispositivi sono l'elevata efficienza e la rapidità di risposta. Ma questo è solo l'inizio, dice Zhang. Prevede che i prodotti farmaceutici basati sulla tecnologia, ad esempio piccole pompe per insulina indossabili alimentate da batterie a basso voltaggio, potrebbero essere disponibili entro cinque anni.
Benjamin Mattes, CEO di Santa Fe Science and Technology, sta costruendo muscoli artificiali forti e di lunga durata con polimeri conduttori che si espandono e si contraggono in risposta ai cambiamenti nel flusso di ioni nei materiali. Questi polimeri elettroattivi generano forze enormi a basse tensioni. Poiché le reazioni chimiche distruggono il polimero, le versioni precedenti erano lente e in grado di sopravvivere solo per pochi cicli. L'ultimo dispositivo di Mattes, tuttavia, batte i record precedenti di velocità e durata. La sua struttura coassiale - minuscole fibre infilate in un tubo cavo e avvolte nell'elettrolita liquido - consente agli ioni di fluire rapidamente nelle fibre in risposta alla tensione applicata. Poiché utilizza un liquido ionico altamente stabile e conduttivo come elettrolita, Mattes afferma di aver raggiunto milioni di cicli senza degradazione.
Grazie a tali progressi nella scienza dei materiali, i polimeri elettroattivi stanno iniziando a produrre utili dispositivi biomedici. All'Università del New Mexico, Shahinpoor ha dimostrato muscoli artificiali sottili e resistenti che possono sollevare molte volte il proprio peso. Shahinpoor sta usando i materiali per sviluppare ausili impiantabili come una pompa che funziona come un pacemaker meccanico per comprimere il cuore e un minuscolo dispositivo che corregge la vista premendo delicatamente il bulbo oculare. Il suo team sta commercializzando i dispositivi attraverso uno spin-off, Environmental Robots ad Albuquerque, NM.
Tuttavia, c'è molto lavoro da fare prima che la tecnologia sia pronta per il mercato. Per avere successo, afferma Shahinpoor, l'azienda dovrà garantire che i materiali siano compatibili con i tessuti viventi e che le loro funzioni possano essere controllate con precisione. Dovrà anche ridurre i costi di produzione di un fattore 10.
Sebbene i prossimi cinque anni dovrebbero vedere i polimeri elettroattivi utilizzati come componenti negli strumenti microchirurgici, nei sistemi di somministrazione dei farmaci e negli ausili correttivi, tali progressi potrebbero essere solo l'inizio. Per ottenere robot e dispositivi protesici più realistici, gli scienziati dovranno realizzare materiali più intelligenti e più interattivi. Entro 10 anni, i ricercatori mirano a sviluppare arti artificiali che forniscano feedback all'utente, graziosi robot autonomi alimentati da polimeri simili a muscoli e persino tute che migliorano la forza e la resistenza dei soldati e del personale di soccorso. Se la ricerca avrà successo, la robotica potrebbe davvero prendere vita.