Muscoli a Ultrasuoni: Il Futuro della Robotica Soft

Costruire Muscoli Controllati dal Suono

Per gran parte della storia, l’energia meccanica era fornita dai muscoli, sia umani che animali. È solo con l’inizio della Rivoluzione Industriale che l’energia dal vento (mulini a vento), dall’acqua (mulini ad acqua e dighe) e dalla combustione (macchine a vapore, motori a combustione) ha potuto essere sfruttata.

Ma questi sistemi meccanici sono sempre stati in qualche modo inferiori al movimento naturale, richiedendo sistemi complessi e manutenzione per ottenere una libertà di movimento relativamente scarsa in confronto.

Questo è ancora un problema per i robot, che tendono a richiedere array molto complessi di motori elettrici e software avanzato per rimanere in piedi. Il problema è generalmente creare un movimento completamente controllabile e sufficientemente flessibile.

Quindi, poiché il muscolo è un modo così superiore di generare movimento, gli scienziati hanno cercato di creare una variante artificiale, che potrebbe essere alimentata elettricamente. Fino ad ora, i materiali proposti sono sempre stati carenti in termini di prestazioni, costi o metodo di fabbricazione.

Questo potrebbe cambiare, grazie a un nuovo design di muscolo artificiale proposto da ricercatori dell’ETH Zürich (Svizzera), dell’Università di Münster (Germania) e dell’Università del Nebraska‑Lincoln (USA).

Hanno pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Nature¹, con il titolo “Ultrasound-driven programmable artificial muscles”.

Come Funzionano i Muscoli Guidati dagli Ultrasuoni

I muscoli funzionano aumentando o diminuendo la lunghezza del muscolo, tirando sull’osso a cui è attaccato.

I muscoli artificiali finora hanno cercato di replicare questa idea con molteplici tipi di materiali:

• Nanotubi di carbonio
• Leghe a memoria di forma
• Sistemi pneumatici (aria) o idraulici

Questi sistemi hanno tutti sofferto di una mancanza di affidabilità, controllo fine, consumo energetico o costi troppo elevati.

“I metodi chimici spesso richiedono carburanti che possono essere tossici, i sistemi basati sulla luce soffrono di limitata penetrazione nei tessuti e potenziali danni termici, e i sistemi magnetici necessitano di hardware ingombrante rischiando il riscaldamento Joule.”

I ricercatori di questo studio hanno preso una direzione nuova e diversa per controllare il muscolo artificiale: i suoni.

I Vantaggi degli Ultrasuoni

Che sia per applicazioni in robotica o impianti biomedicali, gli ultrasuoni hanno il vantaggio di essere un metodo di controllo facile da creare e completamente non distruttivo.

Gli ultrasuoni sono anche wireless, remoti, attraversano senza danni gli strati esterni (inclusi i tessuti organici) e hanno alta selettività spaziale (mirata).

È anche una tecnologia comunemente usata a basso costo, anche in ambito clinico.

Quindi, in generale, gli ultrasuoni sono perfetti per applicazioni biomedicali e in vivo, ma potrebbero anche essere usati in altri campi come la robotica, in particolare nella cosiddetta robotica morbida.

Gli ultrasuoni sono sempre più popolari tra i ricercatori, che li usano per alimentare impianti medici in modalità wireless, per biostampare tessuti viventi, e per il biomonitoraggio.

Materiali a Microbolle nei Muscoli Artificiali

In questo studio, i ricercatori hanno creato un materiale contenente una matrice di microbolle fabbricata con precisione, che, quando esposta alla risonanza giusta degli ultrasuoni, fa piegare il materiale.

Fonte: Nature

Quando si varia la dimensione della matrice di microbolle, può cambiare a quale frequenza di ultrasuoni reagisce una data sezione del materiale.

Fonte: Nature

Finora, la forza generata dagli ultrasuoni in un muscolo artificiale è stata troppo debole per avere applicazioni pratiche. Ma questo nuovo design è molto più forte (7.6 μN/mm²), portando tale concetto in prima linea come potenziale materiale per muscoli artificiali.

È stato creato uno stampo ad alta risoluzione con array di micropillari, modellato su una fetta di silicio usando litografia morbida, per servire da stampi negativi per microcavità cilindriche.

Uno strato sottile di polidimetilsilossano (PDMS) è stato poi spin‑coat sul wafer, creando il materiale a microbolle desiderato.

Il materiale finale ha formato un muscolo artificiale (3 cm × 0.5 cm × 80 μm), che contiene oltre 10.000 microbolle uniformi all’interno di cavità (diametro 40 μm, profondità 50 μm).

Creare Movimento Controllato con gli Ultrasuoni

Poiché diverse parti del materiale reagiscono a frequenze diverse, modulare gli ultrasuoni può essere usato per creare un movimento ondulatorio precisamente controllato, per esempio. I ricercatori hanno anche testato le interazioni del materiale con il mondo reale, usandolo per intrappolare una larva di pesce, ruotare una mandorla o muovere una foglia d’erba. Ha anche dimostrato che il metodo era innocuo per gli organismi viventi, senza riscaldamento o effetti negativi dagli ultrasuoni.

I ricercatori hanno poi testato se il materiale potesse essere usato per attaccare e muovere tessuti organici. Per farlo, lo hanno testato con un cuore di maiale. Gli attuatori controllati dagli ultrasuoni sono rimasti attaccati e hanno continuato a muoversi, trasferendo forza al tessuto.

Fonte: Nature

Hanno anche testato il potenziale del materiale per il rilascio di farmaci, con gli ultrasuoni usati come trigger per il rilascio del materiale dalla patch a microbolle.

Muovere Robot In‑Vivo

Infine, la ricerca ha creato un “mini‑stingray bot” le cui ondulazioni possono controllare il movimento in un ambiente liquido.

Fonte: Nature

Hanno poi testato con successo il movimento del bot razza di manta nello stomaco e nell’intestino di un maiale.

Al rilascio, il bot razza di manta si propelle in avanti a una velocità iniziale di circa 0.8 lunghezze del corpo al secondo, dimostrando la capacità del sistema di muoversi all’interno degli organi interni di un animale.

Fonte: Nature

Nel complesso, questi esperimenti hanno confermato il potenziale del materiale per l’uso in vivo di dispositivi wireless e indossabili.

Applicazioni

Lo studio si è concentrato su potenziali applicazioni biomedicali, poiché questa potrebbe essere l’applicazione più diretta di questa tecnologia. La robotica morbida è sempre più usata per integrare materiali usati in medicina, ad esempio per consegnare ai giusti organi farmaci anticancro o altri trattamenti.

Questo metodo può anche essere ampliato a pezzi più grandi, fino almeno alla scala del centimetro, e con molti gradi di libertà del movimento.

Quindi in futuro, tali muscoli artificiali potrebbero essere usati per robotica, elettronica flessibile, tecnologie indossabili, protesi, strumentazione biomedicale, ecc.

Ulteriori miglioramenti potrebbero rendere questo concetto ancora più potente e utile:

• Sembra che cavità trapezoidali convergenti possano generare velocità di flusso circa 3 volte più forti rispetto a forme divergenti. Quindi l’ottimizzazione geometrica e di densità potrebbe creare attuatori con profili di deformazione su misura.
• Una sorgente sonora confocale potrebbe ottenere deformazioni più forti e un targeting più preciso di una specifica parte del muscolo artificiale.
• Idrogel e polimeri biodegradabili potrebbero anche essere usati per più applicazioni biomedicali.

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Investire nella HealthTech 

Philips è un noto marchio di elettronica di consumo (rasoi, spazzolini elettrici), attivo anche nel settore sanitario. Per esempio, è stato il numero 1 per le domande di brevetto MedTech in Europa per il 2022 e tra i primi 3 negli anni successivi.

È attiva in prodotti medici connessi, da indossabili a imaging, respiratori e robot medici.

L’azienda è anche attiva nei semiconduttori (inclusa la tecnologia maglev) e nell’alta tecnologia/robotica/automazione, con ogni attività che condivide una base tecnologica comune.

Fonte: Philips

Philips offre indossabili per metriche cardiache, respiratorie e di attività. I suoi sensori possono essere integrati in smartwatch, monitor di salute, patch mediche e tracker di attività.

L’esperienza di Philips in sensori biocompatibili, semiconduttori e soluzioni wireless potrebbe renderla leader negli impianti medici avanzati che sfruttano gli ultrasuoni.

Per i dispositivi medici, Philips preferisce una soluzione di partnership, dove sviluppa per terze parti i loro dispositivi IoT medici connessi pienamente compatibili con il resto delle soluzioni Philips. In quel contesto, offre ai clienti prototipazione, consulenza normativa, sviluppo prodotto end‑to‑end e produzione su scala industriale.

Ciò rende Philips un’azienda focalizzata sulla tecnologia e un candidato probabile per integrare rapidamente nuove innovazioni nei dispositivi medici già esistenti. In totale, i dispositivi Philips hanno influenzato direttamente più di 1,8 miliardi di persone.

L’azienda vuole creare un ambiente sanitario digitale completamente integrato, dove i sensori corrispondono ai dispositivi, e poi utilizzare molteplici soluzioni di connettività per integrarsi nella soluzione Philips HealthSuite Cloud e consentire analisi approfondite dei dati.

Fonte: Philips

Come fornitore dell’industria MedTech, spesso producendo per altri marchi, Philips non è così visibile nel settore come altre aziende più prominenti. Tuttavia, è esperta nella costruzione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni e sensori, spingendo spesso i limiti di ciò che è possibile nel suo niche in sanità e indossabili.

Con indossabili ed elettronica medica sempre più integrati nella sanità e nei protocolli medici, il segmento Healthcare di Philips probabilmente crescerà come parte del conglomerato.

Ultime Koninklijke Philips N.V.( PHG) Notizie e Sviluppi sulle Azioni

Studio Citato

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}