Strutture magnetiche stampate in 3D si muovono, rotolano, saltano e giocano a palla

Gli ingegneri del MIT hanno creato strutture morbide stampate in 3D i cui movimenti possono essere controllati con un magnete, proprio come marionette senza fili

L’insieme di strutture che possono essere manovrate magneticamente include un anello liscio che si increspa, un lungo tubo che si accorcia, un foglio che si piega su se stesso e un “afferratore” con le sembianze di ragno che può camminare, rotolare, saltare e chiudersi così velocemente da afferrare una palla al volo. Può anche essere guidato a chiudersi intorno a una piccola pastiglia e portarla dall’altra parte del tavolo.

I ricercatori hanno costruito le strutture con una nuova stampante 3D che usa un inchiostro pieno di piccole particelle magnetiche. Hanno poi inserito un elettromagnete intorno all’ugello della stampante 3D, provocando lo spostamento dell’inchiostro mentre questo veniva erogato attraverso la bocchetta. Controllando l’orientamento magnetico di ciascuna sezione individuale della struttura, i ricercatori possono creare strutture e macchinari che possono istantaneamente cambiare forma, e addirittura muoversi, quando le varie sezioni rispondono a un campo magnetico esterno.

Xuanhe Zhao, professore del dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, sostiene che questa tecnica potrà essere utilizzata per produrre apparecchi biomedici controllati magneticamente.

“Pensiamo che nella biomedicina questa tecnica troverà applicazioni promettenti,” dice Zhao. “Per esempio, potremo inserire una struttura intorno a un vaso sanguigno per controllare il flusso di sangue, oppure utilizzare un magnete per guidare un dispositivo lungo il tratto gastrointestinale per fare foto, estratte campioni di tessuto, togliere un’occlusione o portare alcuni medicinali in un ponto specifico. Si può progettare, simulare e poi semplicemente stampare per ottenere varie funzioni.”

Un campo in evoluzione

Le strutture magneticamente attivate della squadra rientrano nella categoria generale dei dispositivi morbidi a comando – materiali morbidi e modellabili progettati per cambiare forma o muoversi attraverso una varietà di mezzi meccanici. Ad esempio, i dispositivi in idrogel si gonfiano quando la temperatura o il pH cambiano; i polimeri a memoria di forma e gli elastomeri a cristalli liquidi si deformano con stimoli sufficienti come il calore o la luce; i dispositivi pneumatici e idraulici possono essere azionati da aria o acqua pompata al loro interno; e gli elastomeri dielettrici si estendono sotto tensioni elettriche.
Però gli idrogel, i polimeri a memoria di forma e gli elastomeri a cristalli liquidi sono lenti a rispondere e cambiano forma nel corso di minuti o ore. I dispositivi azionati ad aria e acqua richiedono tubi che li collegano alle pompe, rendendoli inefficienti per le applicazioni controllate a distanza. Gli elastomeri dielettrici richiedono tensioni elevate, generalmente superiori a mille volt.

“Non esiste un candidato ideale per un robot morbido che può funzionare in uno spazio chiuso come un corpo umano, dove si desidera svolgere determinati compiti senza vincoli,” dice Kim, coautore della ricerca. “Ragione per cui crediamo che ci sia una grande promessa dietro a questa idea di attivazione magnetica, perché è veloce, forte, e può essere controllata da lontano. La sfida ora è creare una struttura o un robot che possa compiere azioni complesse.”

Gioco di dominio

Invece di creare strutture con particelle magnetiche dello stesso orientamento uniforme, il team ha cercato modi per creare "domini" magnetici - sezioni individuali di una struttura, ciascuna con un orientamento distinto di particelle magnetiche. Quando esposti a un campo magnetico esterno, ogni sezione dovrebbe muoversi in un modo distinto, a seconda della direzione in cui le sue particelle si muovono in risposta al campo magnetico. In questo modo, il gruppo ha ipotizzato che le strutture dovrebbero effettuare articolazioni e movimenti più complessi.

Con la loro nuova piattaforma di stampa 3D, i ricercatori possono stampare sezioni, o domini, di una struttura e sintonizzare l'orientamento delle particelle magnetiche in un particolare dominio cambiando la direzione dell'elettromagnete che circonda l'ugello della stampante, mentre il dominio viene stampato.

Il team ha anche sviluppato un modello fisico che prevede come una struttura stampata si deformerà sotto un campo magnetico. Data l'elasticità del materiale stampato, il modello dei domini in una struttura e il modo in cui viene applicato un campo magnetico esterno, il modello può prevedere il modo in cui una struttura generale si deformerà o si muoverà. Ruike ha scoperto che le previsioni del modello erano strettamente correlate agli esperimenti condotti dal team con diverse strutture stampate.

Oltre a un anello increspante, un tubo che si schiaccia automaticamente e un “afferratore” a forma di ragno, il team ha stampato altre strutture complesse, come un insieme di strutture "ausiliarie" che si restringono o si espandono rapidamente lungo due direzioni. Zhao e i suoi colleghi hanno anche stampato un anello incastonato con circuiti elettrici e luci a LED rossi e verdi. A seconda dell'orientamento di un campo magnetico esterno, l'anello si deforma per illuminarsi di rosso o di verde, in modo programmato.

“Abbiamo sviluppato una piattaforma di stampa e un modello predittivo per gli altri utenti. Le persone possono progettare le proprie strutture e modelli di dominio, convalidarle con il modello e stamparle per attivare varie funzioni ", afferma Zhao. "Programmando informazioni complesse su struttura, dominio e campo magnetico, è possibile persino stampare macchine intelligenti come i robot."

Jerry Qi, professore di ingegneria meccanica presso la Georgia Tech, afferma che il progetto del gruppo può consentire una gamma di robotica veloce, controllata a distanza, in particolare in campo biomedico.
“Questo lavoro è molto originale", dice Qi, che non era coinvolto nella ricerca. “Si potrebbe usare un robot morbido all'interno di un corpo umano o da qualche parte che non è facilmente accessibile. Con la tecnologia riportata in questa pubblicazione, si può applicare un campo magnetico al di fuori del corpo umano, senza utilizzare alcun collegamento. Grazie alla sua rapida velocità di risposta, il robot morbido può compiere molte azioni in breve tempo. Questo è importante per le applicazioni pratiche.”

Articolo originale del MIT di Boston: Magnetic 3-D-printed structures crawl, roll, jump, and play catch / Foto: MIT / Traduzione e adattamento linguistico: Veronica Pesenti