Un nuovo metodo porta a robot piccoli e morbidi per procedure delicate

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I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per fabbricare materiali morbidi su scala millimetrica, aprendo la strada ai microrobot flessibili da utilizzare nelle procedure mediche e in altri ambienti difficili da accedere.

Il team di ricerca, composto da membri del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard, della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e della Boston University, ha creato un ragno robotico per dimostrare la loro tecnologia.

Il loro articolo è pubblicato in il giornale Materiale avanzato.

Il nuovo ragazzo sul blocco

I film di fantascienza di Hollywood potrebbero averci persuaso con successo a credere che un giorno i robot ci domineranno. Tuttavia, almeno per ora, i robot aiutano gli umani in aule, fabbriche e persino sale operatorie.

Più di recente, la robotica morbida, il cui interno ed esterno sono entrambi realizzati con materiali morbidi, promette una maggiore flessibilità lavorando intorno a ambienti mutevoli o non strutturati, in un modo che non potrebbe essere ottenuto dai tradizionali e rigidi robot.

A causa della sua conformità intrinseca, i robot morbidi possono essere di grande utilità per i chirurghi. Mentre sono stati creati robot morbidi di dimensioni centimetriche, per navigare in sicurezza attraverso i delicati tessuti dei corpi umani, non solo devono ridursi, ma anche svolgere più funzioni.

"I più piccoli sistemi robotici morbidi continuano ad essere molto semplici, di solito con un solo grado di libertà, il che significa che possono attuare solo un particolare cambiamento nella forma o nel tipo di movimento ", coautore Sheila Russo, che ha contribuito all'avvio del progetto come postdottorato in Il gruppo di Robert Wood al Wyss Institute e SEAS, ed è ora un assistente professore alla Boston University, ha detto in una nota.

Legno è il professore di ingegneria e scienze applicate di Harvard alla John A. Paulson School of Engineering e Applied Sciences presso la SEAS, un membro fondatore della facoltà del Wyss Institute e fondatore del laboratorio di microbiotici di Harvard.

Ispirati da un ragno di pavone australiano di dimensioni millimetriche, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo processo di fabbricazione per progettare robot a scala millimetrica con funzioni multiple.    

"L'idea di progettare e fabbricare un robot morbido ispirato al piccolo aracnide deriva dal fatto che incarna un gran numero di sfide irrisolte nella robotica leggera ", ha detto Tommaso Ranzani, il primo autore e autore corrispondente, chi ha iniziato lo studio come borsista post-dottorato nel gruppo di Wood e ora è anche professore assistente alla Boston University.

“In effetti, è largo meno di un centimetro, ha caratteristiche fino alla scala micrometrica, una struttura tridimensionale ben definita e un gran numero di gradi di libertà controllabili indipendentemente. Inoltre, è caratterizzato da bellissimi modelli di colore ".

Combinando tre in uno

Il nuovo processo di fabbricazione, chiamato MORPH (Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic / Hydraulic) combina tre tecniche di fabbricazione esistenti: litografia morbida, microlavorazione laser e auto-piegatura indotta dall'iniezione.

Innanzitutto, per creare il materiale esterno del robot, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di litografia morbida per creare strati di silicio 12.  

"Questo primo sistema MORPH è stato fabbricato in un singolo processo monolitico che può essere eseguito in [pochi] giorni e facilmente ripetuto negli sforzi di ottimizzazione del design", ha affermato Ranzani in una nota.

Quindi, hanno usato la microlavorazione laser per tagliare con precisione ogni strato di silicio e legare ciascuno a quello sottostante per creare la struttura ruvida di 3D del ragno.

E i ricercatori hanno utilizzato un metodo di auto-piegatura basato sull'iniezione per integrarsi canali microfluidici cavi con attuatori in ogni strato e iniettare questi canali con una resina induribile agli UV, che viene iniettata come liquido e solidificata quando esposta ai raggi UV.

Quando la resina si solidifica e torna a essere liquida all'interno dei canali, il robot può piegarsi e aprirsi da sola, passando da 2D a 3D e viceversa.

"Questa tecnica si chiama auto-piegamento indotto iniettato", Russo ha detto in una dichiarazione.

“Prende ispirazione dall'arte del kirigami e degli origami perché stiamo tagliando e piegando la struttura nella forma che desideriamo e può essere riconfigurata. Se pensi agli artisti origami, possono creare un cigno senza carta, ma poi potresti prendere quel cigno e riaprirlo o piegarlo in un modo diverso e avere un altro animale. "

Gli attuatori nell'addome, nella testa, nelle mascelle e nelle gambe rendono questo robot multi-funzionale, con nove gradi di libertà controllabili indipendentemente e cinque gradi strutturali di libertà.

"Sviluppando una nuova tecnologia ibrida che unisce tre diverse tecniche di fabbricazione, abbiamo creato un morbido ragno robotico fatto solo di gomma siliconica con gradi di libertà 18, che comprende cambiamenti nella struttura, nel movimento e nel colore e con minuscole funzionalità nella gamma dei micrometri, ", Ha detto Russo in una dichiarazione.

Infine, per completare il tutto, i ricercatori hanno riempito i canali di acqua tinta per imitare i colori stravaganti di un ragno pavone.

Credito: Wyss Institute presso l'Università di Harvard

Aprendo le porte

Ranzani ritiene che questo nuovo processo di fabbricazione consentirà ai robot soft di esplorare ambienti altamente non strutturati e complessi per molteplici applicazioni, che vanno dalla manipolazione sicura e delicata dei tessuti all'interno del corpo umano alla ricerca e al salvataggio in aree pericolose.

"Speriamo che questa tecnica sia strumentale allo sviluppo di una nuova classe di dispositivi chirurgici morbidi in grado di eseguire compiti chirurgici avanzati ", ha affermato in una nota.

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