Ecco il metabot, la rivoluzione del materiale in grado di cambiare forma e muoversi firmata Princeton

Può espandersi, cambiare forma, muoversi e seguire comandi elettromagnetici come un robot telecomandato a distanza, anche se non ha un motore o ingranaggi interni. Non è dunque un semplice materiale, ma non è neanche un robot. È piuttosto un metabot che ricorda la celebre saga cinematografica Transformers. A realizzare quello che fino a poco tempo fa sembrava impossibile è stato un gruppo di ingegneri della Princeton University in uno studio pubblicato sulla rivista Nature.

L’arte degli origami – Anche se eccezionalmente innovativo, gli ingegneri si sono ispirati alla tradizionale arte della piegatura degli origami. Il risultato è una struttura che può considerarsi ai confini tra robotica e materiali. Più precisamente, l’invenzione in questione è un metamateriale, ovvero un materiale progettato per presentare proprietà nuove e insolite che dipendono dalla sua struttura fisica piuttosto che dalla sua composizione chimica. In questo caso, i ricercatori hanno costruito il loro metamateriale utilizzando una combinazione di semplici plastiche e compositi magnetici realizzati su misura. Utilizzando un campo magnetico, gli scienziati hanno modificato la struttura del metamateriale, facendolo espandere, muovere e deformare in diverse direzioni, il tutto a distanza senza toccarlo.

Il metabot – Il team ha chiamato la propria creatura “metabot”, un metamateriale in grado di cambiare forma e muoversi. “I campi elettromagnetici trasportano potenza e segnale contemporaneamente”, spiega Minjie Chen, autore dello studio e professore associato di Ingegneria elettrica e informatica presso l’Andlinger Center for Energy and the Environment di Princeton. “Ogni comportamento è molto semplice, ma quando li si mette insieme il può diventare molto complesso. Questa ricerca – continua – ha ampliato i confini dell’elettronica di potenza dimostrando che la torque (momento meccanico, cioè la forza che può causare la rotazione di un oggetto attorno a un asse, ndr) può essere trasmessa a distanza, istantaneamente e con precisione per innescare complessi movimenti robotici”.

Il metabot è un conglomerato modulare di numerose celle unitarie riconfigurabili, che sono immagini speculari l’una dell’altra. Questa specularità, chiamata chiralità, consente un comportamento complesso. Il metabot infatti può compiere grandi contorsioni – torcendosi, contraendosi e restringendosi – in risposta a una semplice spinta. “Il lavoro apre una nuova ed entusiasmante strada nella progettazione e nelle applicazioni dell’origami”, commenta Xuanhe Zhao, esperto di materiali e robotica, non coinvolto nella ricerca. “Il lavoro attuale ha permesso di ottenere metamateriali meccanici estremamente versatili controllando l’assemblaggio e lo stato chirale dei moduli. La versatilità e la potenziale funzionalità dei metamateriali origami chirali modulari sono davvero impressionanti”, aggiunge.

Un lavoro rivoluzionario – Davide Bigoni, professore di Meccanica dei solidi e delle strutture presso l’Università di Trento, ha definito il lavoro rivoluzionario e ha affermato che potrebbe “dare impulso a un cambiamento di paradigma in diversi campi, tra cui la robotica morbida, l’ingegneria aerospaziale, l’assorbimento di energia e la termoregolazione spontanea”. Esplorando le applicazioni robotiche di questa tecnologia, Tuo Zhao, altro autore dello studio, ha utilizzato una macchina per litografia laser del Princeton Materials Institute per creare un prototipo di metabot alto 100 micron (poco più spesso di un capello umano). I ricercatori hanno affermato che robot simili potrebbero un giorno somministrare farmaci a specifiche parti del corpo o aiutare i chirurghi a riparare ossa o tessuti danneggiati. I ricercatori hanno anche utilizzato il metamateriale per creare un termoregolatore che funziona passando da una superficie nera che assorbe la luce a una riflettente. In un esperimento, i ricercatori hanno esposto il metamateriale alla luce solare intensa e sono stati in grado di regolare la temperatura superficiale da 27 gradi Celsius a 70 °C e viceversa.

Utilizzi e applicazioni – Un altro possibile utilizzo riguarda le applicazioni per antenne, lenti e dispositivi che gestiscono le lunghezze d’onda della luce. La geometria è la chiave del nuovo materiale. I ricercatori hanno costruito tubi di plastica con montanti di supporto disposti in modo che i tubi si torcano quando vengono compressi e si comprimono quando vengono ruotati. Negli origami, questi tubi sono chiamati “modelli di Kresling”. I ricercatori hanno creato gli elementi costitutivi del loro progetto collegando due tubi di Kresling speculari alla base per formare un lungo cilindro. Di conseguenza, un’estremità del cilindro si piega quando viene ruotato in una direzione e l’altra estremità si piega quando viene ruotata nella direzione opposta. Questo semplice schema di tubi ripetuti permette di muovere ciascuna sezione del tubo in modo indipendente utilizzando campi magnetici progettati con precisione. Il campo magnetico provoca la torsione, il collasso o l’apertura dei tubi di Kresling, dando origine a comportamenti complessi.

Secondo i ricercatori, una conseguenza della chiralità – le sezioni speculari – è che il materiale può sfidare le tipiche regole di azione e reazione degli oggetti fisici. “Di solito, se ruoto una trave di gomma in senso orario e poi in senso antiorario, torna al punto di partenza”, dice Glaucio Paulino, professore di Ingegneria alla Princeton. Il gruppo ha creato un semplice metabot che collassa quando viene ruotato in senso orario, poi si riapre quando viene ruotato in senso antiorario, un comportamento normale. Tuttavia, se ruotato nella sequenza opposta – prima in senso antiorario e poi in senso orario – lo stesso dispositivo collassa, per poi collassare ulteriormente. Paulino ha affermato che questo comportamento asimmetrico simula un fenomeno chiamato isteresi, in cui la risposta di un sistema a uno stimolo dipende dalla storia dei cambiamenti al suo interno. Questi sistemi, che si trovano in ingegneria, fisica ed economia, sono difficili da modellare matematicamente. Paulino ha affermato che il metamateriale offre un modo per simulare direttamente questi sistemi.

Valentina Arcovio

Lo studio

Foto: Aaron Nathans/Università di Princeton

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