Mani Come quelle Umane: Nuova Produzione Additiva Aiuta la Soft Robotics a Diventare Reale

Nel panorama in rapida evoluzione della robotica, sta emergendo una nuova frontiera che promette di rimodellare la nostra comprensione del settore: soft robotics. Questo approccio innovativo sta facendo progressi grazie a tecniche di produzione additiva all’avanguardia. 

In questo articolo, esploriamo il regno della soft robotics e esaminiamo come i recenti progressi nella produzione additiva stiano spingendo questa tecnologia in avanti.

Che cos’è la Soft‑Robotics?

La soft robotics tenta di introdurre tecnologie che assomigliano più da vicino alle caratteristiche fisiche degli organismi viventi, sostituendo i movimenti rigidi che associamo ai robot. Considerata una forma di biomimetica in cui le caratteristiche lineari e rigide convenzionali della robotica lasciano spazio a modelli sofisticati, la soft robotics imita la vita umana, animale e vegetale. 

I ricercatori stimano che il mercato della soft robotics diventerà un’opportunità significativamente grande in futuro, con una dimensione di mercato che crescerà da oltre 770 milioni di dollari USA nel 2022 a quasi 22 miliardi di dollari USA entro il 2030. Ciò significherebbe una crescita fenomenale di circa il 75 % CAGR. 

Secondo il Harvard Biodesign Lab, che aiuta a comprendere la tecnologia della soft robotics come attuatori fluidici con matrici elastomeriche contenenti materiali flessibili come tessuto, carta, fibre e particelle, la soft robotics sta diventando popolare per la sua leggerezza, convenienza e facile personalizzazione per una data applicazione. 

Alcune Applicazioni della Soft Robotics

Il Harvard Biodesign Lab stima che oggi negli Stati Uniti ci siano quattro milioni di sopravvissuti a ictus cronico con emiparesi e altri sei milioni in altri paesi sviluppati a livello globale. Questi sopravvissuti spesso perdono le capacità motorie delle mani. La Soft Robotics potrebbe aiutarli a fronteggiare questa sfida sviluppando un dispositivo modulare, sicuro, portatile, consumabile e domestico per la riabilitazione e l’assistenza della mano. 

Negli Stati Uniti, il rischio di vita di sviluppare insufficienza cardiaca è vicino al 20%. Sfruttando la tecnologia alla base della soft robotics, il Laboratorio sta sviluppando un simulatore cardiaco da banco e un dispositivo di Compressione Cardiaca Diretta (DCC) che aiuterà a trattare l’insufficienza cardiaca. 

Con tutte queste applicazioni benefiche e molte altre, la Soft Robotics può svolgere un ruolo significativo negli sforzi di riabilitazione dei pazienti e di miglioramento della qualità della vita a livello mondiale. Qualsiasi tecnologia che aiuti a far progredire la soft robotics è – quindi – una tecnologia positiva. Oggi discuteremo alcune di queste tecniche di produzione. 

Tecnologia di Stampa 3D o Produzione Additiva nella Soft Robotics

Stampa 3D, nota anche come produzione additiva, consiste nello sviluppare oggetti tridimensionali a partire da un file digitale. È chiamata produzione additiva per il suo intrinseco processo di sviluppo. 

Nel processo additivo di produzione, un oggetto viene realizzato depositando strati successivi di materiale fino a quando la forma finale desiderata è raggiunta. 

Ciascuno di questi strati è semplicemente una sezione trasversale sottilmente affettata dell’oggetto desiderato. La produzione additiva differisce dallo stile tradizionale di produzione sottrattiva, dove parti della forma e delle dimensioni desiderate vengono tagliate da un grande blocco di materiale di partenza. 

La stampa 3D o la produzione additiva solitamente coinvolge un modello 3D, un software 3D e una stampante 3D. Il processo ha già trovato applicazioni nella produzione di prodotti di consumo, prodotti industriali, prodotti dentali, protesi, modelli architettonici in scala e maquette, fossili ricostruiti, repliche di reperti antichi, evidenze ricostruite in psicologia forense, oggetti di scena cinematografici e molto altro. 

Ora, ha trovato utilità nel campo più sofisticato della soft robotics. ETH Zurich e una startup statunitense, Inkbit, hanno reso possibile questa collaborazione. 

Mentre Inkbit è una spin‑off del MIT, l’Università di Scienza e Tecnologia di ETH Zurich risale al 1855, “quando i fondatori della Svizzera moderna la crearono come centro di innovazione e conoscenza”.

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La Tecnologia in Dettaglio

La Svolta

La svolta raggiunta dalla ricerca di ETH Zurich e Inkbit è che ha ampliato il campo dei materiali utilizzabili nella produzione additiva o stampa 3D. Mentre in precedenza la tecnologia era limitata solo a plastiche a rapida indurimento, ora è adatta anche a plastiche a indurimento lento. Ci sono molti vantaggi in questo ampliamento di campo. 

I Benefici

• Le plastiche a indurimento lento hanno proprietà elastiche migliorate.
• Sono più durevoli e robuste.
• Le plastiche a indurimento lento rendono possibile stampare in 3D elementi robotici complessi e più durevoli.
• La tecnologia è compatibile con una varietà di materiali di alta qualità
• L’ampliamento del campo d’uso facilita la combinazione di materiali morbidi, elastici e rigidi.

E infine,

• Corrispondono al requisito di creare strutture e parti delicate con cavità dove e quando necessario. 

L’Applicazione

Con le plastiche a indurimento lento, è diventato possibile unire i benefici della soft robotics e della produzione additiva creando una sinergia che avvantaggerà l’umanità per molto tempo. 

I ricercatori di ETH Zurich hanno sviluppato con successo una mano robotica che possiede tutte le qualità della fisiologia umana, come ossa, legamenti e tendini. Sebbene realizzata con diversi polimeri, il prodotto finale è stato prodotto in un’unica operazione. 

Secondo i ricercatori, ciò non sarebbe stato possibile senza l’inclusione di polimeri a indurimento lento. Secondo Thomas Buchner, dottorando nel gruppo del professore di robotica di ETH Zurich Robert Katzschmann e primo autore dello studio:

“Stiamo ora usando polimeri tiolene a indurimento lento. Questi hanno ottime proprietà elastiche e tornano al loro stato originale molto più rapidamente dopo la flessione rispetto ai poliacrilati.”

L’inclusione dei polimeri tiolene ha cambiato le regole del gioco nella produzione della mano secondo i principi della soft robotics. Poiché la mano robotica è morbida come una mano umana reale, presenta un minor rischio di lesioni e può gestire meglio oggetti fragili. 

Per integrare soft robotics e produzione additiva nello stesso processo, i ricercatori hanno dovuto introdurre alcune modifiche alla tecnologia di stampa 3D. Hanno aggiunto uno scanner laser 3D alla stampante, che può controllare immediatamente ogni strato stampato per potenziali irregolarità di superficie. 

I ricercatori hanno anche introdotto un meccanismo di feedback per compensare queste irregolarità. Questo meccanismo ha consentito di apportare le necessarie regolazioni a uno strato, tenendo conto dell’eventuale irregolarità dello strato precedente. 

ETH Zurich ha chiesto l’aiuto di Inkbit, la startup statunitense, per sviluppare questa tecnologia di stampa. 

Inkbit: La Startup di Tecnologia di Stampa

Fondata nel 2017 da Davide M. Marini, Javier Ramos e Wojciech Matusik, Inkbit è una startup di Serie B con sede a Medford, Massachusetts, Stati Uniti. Lo scopo dell’azienda è creare una piattaforma di produzione additiva di nuova generazione che combini stampa 3D e visione artificiale. L’azienda continua a innovare e a sviluppare nuove soluzioni nell’ambito della stampa 3D. Ad esempio, a metà novembre di quest’anno, ha dimostrato la fabbricazione in stampa singola di sistemi e robot complessi e multifunzionali. 

Una settimana prima, l’azienda aveva introdotto TEPU 50A, un nuovo elastomero a durometro medio‑soft. 

Ci sono diversi altri attori nello spazio a cui Inkbit si rivolge. Tutti insieme stanno cercando di guidare il progresso nella soft robotics attraverso nuove tecniche di produzione additiva.

Aziende con Tecniche di Produzione Additiva Trasformative per Aiutare l’Avanzamento della Soft Robotics

#1. Flashforge

Recentemente è stato sviluppato un pinza morbida modulare stampata in 3D con pinze morbide altamente conformali. Le dita erano composte da attuatori pneumatici morbidi a pressione positiva insieme a un metamateriale meccanico. Il metamateriale integrava una struttura auxetica morbida e costole flessibili. La stampante 3D utilizzata nel processo era una stampante a modellazione a deposizione fusa della FlashForge Corporation. 

Fondata nel 2011, Zhejiang Flashforge 3D Technology Co., LTD è una delle prime imprese cinesi di ricerca e sviluppo e produzione di attrezzature e materiali per stampa 3D professionale. Flashforge i prodotti viaggiano in quasi 100 paesi e regioni a livello globale. 

Ha sviluppato più di 600 rivenditori di marca in più di 50 paesi e regioni sia a livello nazionale che internazionale. 

FlashForge USA si concentra sul rendere la stampa 3D ampiamente accessibile a istituzioni, architetti, ingegneri, designer, utenti industriali e ai vasti mercati consumer e prosumer. 

Si stima che Flashforge abbia un fatturato superiore a US$15 milioni, mentre FlashforgeUSA ha più di US$7 milioni. 

#2. NinjaTek

Tra le sue numerose soluzioni, il filamento Cheetah® per stampante 3D è stato utilizzato per creare ossa flessibili e realistiche per mani protesiche. Il design del dito richiedeva l’incorporazione di un’osso stampata in 3D flessibile in uno stampo in silicone per creare una texture simile alla pelle e aumentare la robustezza e la resistenza delle dita. Il team di ricercatori responsabile della progettazione e sviluppo della mano ha trovato il filamento Cheetah TPU semi‑flessibile di NinjaTek molto utile nella progettazione del pezzo protesico.

NinjaTek fa parte di Fenner Precision Polymers. Produce filamenti speciali per gli utenti finali nello spazio industriale della stampa 3D. L’azienda è ora una società del Gruppo Michelin. 

Michelin Group ha registrato più di 28,5 miliardi di euro di fatturato nel 2022, rispetto a un fatturato di quasi 24 miliardi di euro nel 2021. L’utile operativo in percentuale sul fatturato era vicino al 12 % nel 2022. 

#3. Fictiv

Un altro attore chiave in questo settore è Fictiv, un’azienda che offre una gamma completa di servizi di stampa 3D e dimostrando un forte impegno per l’avanzamento della soft robotics. La loro esperienza è molto ricercata, con grandi aziende med‑tech come Medtronic che utilizzano i servizi innovativi di Fictiv.

Fictiv crede che i robot morbidi siano più adattabili e flessibili. Può “comprendere meglio vari design di impugnature e adattare i propri movimenti di conseguenza”. Vede inoltre i robot morbidi come più “pneumaticamente attuati per afferrare oggetti, il che consente l’aggiunta facile di capacità di aspirazione”. 

Nel maggio 2022, Fictiv ha annunciato la chiusura di un round di finanziamento Serie E da 100 milioni di dollari. Il round è stato guidato da Activate Capital, includendo nuovi investitori come Angeleno Group, Cross Creek e The Westly Group. Altri investitori istituzionali di Fictiv includono Accel, Bill Gates, G2 Venture Partners e Standard Investments. Il finanziamento Serie E ha portato l’investimento totale in Fictiv a US$192 milioni dal suo avvio nel 2013. 

Tecnologia di Stampa 3D o Produzione Additiva nella Soft Robotics: Cosa Riserva il Futuro

La stampa 3D o la produzione additiva diventerà una tecnologia chiave nella soft robotics grazie alla sua alta qualità e alla capacità di stampare più materiali contemporaneamente. 

I robot morbidi sono realizzati con fluidi, gel, polimeri funzionali e altri materiali facilmente deformabili, che consentono alla soluzione robotica di rimanere operativa anche quando viene allungata o compressa. È importante sottolineare che questi materiali sono compatibili con le attuali tecnologie di stampa 3D o produzione additiva, che non solo sono più veloci ma anche più affidabili. Tuttavia, per diventare universalmente adattabili, dovrebbero migliorare la loro scalabilità. 

Un altro vantaggio delle nuove tecnologie di produzione additiva è la loro alta specificità e la capacità di stampare le forme più complesse. 

Le nuove tecniche di produzione additiva sono utili anche per il posizionamento delle fonti di energia, che sono parte integrante della maggior parte dei robot morbidi recentemente sviluppati. Inoltre, le nuove tecniche di stampa 3D aiutano a posizionarle in modo intelligente all’interno delle strutture robotiche morbide.

D’altro canto, i materiali morbidi stampabili attualmente disponibili hanno una tendenza significativa a deformarsi sotto le forze normalmente utilizzate durante il processo di costruzione a causa del loro stesso peso, richiedendo l’inclusione di materiale di supporto. Questa sfida evidenzia un’area pronta per ulteriori sviluppi. Per affrontare questo problema, è emersa una soluzione sotto forma di idrogel viscoelastico, capace di resistere a pressioni che vanno da kilopascal a megapascal. 

Recentemente, un gruppo di ricerca ha inoltre sviluppato con successo una tecnica omnidirezionale che può stampare materiali estremamente morbidi come liquidi, i quali possono essere fissati in posizione mediante polimerizzazione in una fase successiva. 

Un altro team di ricerca, composto da studenti della Delft University of Technology, ha introdotto un’altra caratteristica entusiasmante. Ha contribuito a sviluppare tecnologie di stampa 3D che possono colare silicone in gusci stampati in 3D. La tecnica è a basso costo e può aiutare la soft robotics a raggiungere nuovi traguardi in futuro. 

Con più ricerche e studi scientifici condotti sull’argomento, la produzione additiva aiuterà la soft robotics a diventare estremamente rilevante nel campo delle scienze mediche e della salute. Ha già contribuito allo sviluppo di guanti robotici stampati in 3D utili per chi soffre di limitata funzionalità della mano, paralisi locale e artrite. 

Gli scienziati hanno anche costruito mani protesiche e robot morbidi stampati in 3D con quattro zampe che possono camminare su superfici non uniformi e irregolari come ciottoli e sabbia. 

Oltre al loro utilizzo medico e di riabilitazione, tali robot morbidi possono aiutare nelle operazioni di soccorso o essere impiegati per raccogliere dati sensoriali da ambienti pericolosi.

In sintesi, le opportunità offerte dalle nuove tecniche di produzione additiva per far progredire la soft robotics sono enormi. Basta che escano dal laboratorio per un utilizzo su larga scala a beneficio del pubblico. 

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