Nei muscoli a ultrasuoni la nuova frontiera della robotica

Come sono fatti i muscoli di un robot? La risposta tipica include cavi, motori e altri piccoli componenti elettrici, guidati probabilmente da un computer che invia impulsi. In realtà, esistono molti altri sistemi ingegnosi che si basano su principi completamente diversi e, da oggi, a questi se ne aggiunge uno nuovo: un muscolo artificiale di silicone e microbolle guidato da ultrasuoni, sviluppato al Politecnico Federale di Zurigo (ETH). La ricerca è stata pubblicata a fine ottobre su Nature da un gruppo guidato dal professor Daniel Ahmed.

I tessuti muscolari del corpo umano sono molto complessi e presentano una grande varietà di cellule interconnesse, come le cellule muscolari, i nervi e i vasi sanguigni. Quando si cerca di riprodurre in modo artificiale le funzioni di parti del corpo, però, bisogna individuare quali siano gli elementi essenziali e ridurre la complessità ai minimi termini. Lasciando quindi da parte la biochimica e l’anatomia, i muscoli diventano niente più che dispositivi in grado di contrarsi a comando. 

Nella ricerca di Daniel Ahmed, migliaia di cavità del diametro di circa cento micrometri (pari allo spessore di un foglio di carta da stampante) sono state create all’interno di strutture di silicone. Quando il silicone viene immerso in acqua, nelle cavità si formano piccole bolle d’aria. A questo punto il sistema è pronto per essere azionato tramite ultrasuoni trasmessi nell’acqua. Gli ultrasuoni sono vibrazioni della materia, in questo caso dell’acqua, ad alta frequenza e possono far oscillare le bolle. L’oscillazione delle bolle permette quindi al materiale di contrarsi, fungendo da muscolo.

I ricercatori hanno sviluppato tecniche per controllare la dimensione, la forma e la posizione delle microbolle, permettendo così diversi tipi di movimento, come una curvatura uniforme o moti ondulatori. Il muscolo sintetico risponde quasi immediatamente allo stimolo e può essere controllato senza l’uso di cavi. 

Non mancano le prove pratiche per dimostrare l’efficacia di questi dispositivi. Ad esempio, un insieme di filamenti di muscoli sintetici può funzionare come una mano e, nella prova effettuata dai ricercatori, è stato in grado di afferrare per qualche istante una piccola larva di pesce zebra, un animale molto usato nella ricerca.

Per restare nel mondo acquatico, il gruppo di Daniel Ahmed ha costruito anche un robot dalla forma simile a una manta per mostrare il movimento ondulatorio. Questo affascinante pesce, infatti, muove le proprie pinne con onde che si propagano da un’estremità all’altra. Nell’esperimento, il movimento è stato riprodotto da due muscoli artificiali, permettendo al piccolo robot di muoversi in acqua, azionato a distanza dagli ultrasuoni. «Per noi il moto ondulatorio è un vero successo – dice il professore – perché dimostra che possiamo utilizzare le microbolle non solo per movimenti semplici, ma anche per combinazioni complesse, come in un organismo vivente». 

Con le prudenti tempistiche della ricerca, gli scienziati sperano un giorno di vedere questi robot impiegati in ambito medico. Ad esempio, le mante artificiali potrebbero diventare dispositivi per rilasciare medicamenti in modo mirato. A questo fine, la squadra ha già sviluppato involucri simili a pastiglie per trasportare i robot nello stomaco e ha testato il loro movimento all’interno dell’intestino asportato da maiali, un ambiente stretto e tortuoso. Un’altra applicazione potrebbe riguardare i cerotti cardiaci, da applicare sul cuore come supporto per chi ha subito un infarto.