Muscoli artificiali, un tessuto lavorato a maglia

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L’intreccio di normali fibre di cellulosa per realizzare dei muscoli artificiali, combinando così le più antiche tecniche di lavorazione tessile, come la lavorazione a maglia e la tessitura. E’ stata questa l’ispirazione seguita dai ricercatori della Linköping University e della Swedish School of Textiles, come descritto nello studio pubblicato su Science Advances.

La tessitura, prevede l’intreccio tra due fili tra loro perpendicolari, la trama e l’ordito, costituendo un tessuto rigido; la lavorazione a maglia invece, che i fili siano tenuti insieme creando un occhiello, consentendo una facile deformazione.

L’evoluzione della robotica ha introdotto recentemente l’utilizzo di soft robot, che mimano o incrementano quanto più possibile la funzione dell’organo o del tessuto. Un valido esempio, la realizzazione di un dispositivo di assistenza cardiaca, di cui abbiamo scritto qui.

L’idea dei ricercatori svedesi, è quella di fabbricare dei “tessu-attuatori”, ovvero degli attuatori tessili, adoperando polimeri elettroattivi. Si tratterebbe quindi di sistemi in grado di interagire con l’ambiente esterno, costituiti da materiali in grado di muoversi in risposta a stimoli elettrici, emulando perfettamente i muscoli naturali.

I “tessu-attuatori” infatti, utilizzando la tessitura, consentono la modulazione della forza assemblando le fibre parallelamente; invece utilizzando la tecnica di lavorazione a maglia, permettono l’aumento dello sforzo usando un pattern estensibile, come mostrato in figura. L’utilizzo di tali tecniche di lavorazione, consente di ottimizzare il tessuto progettato, puntando alla funzionalità dello stesso.

La lavorazione a maglia e la tessitura dei tessu-attuatori

Nello studio realizzato, è stato utilizzato il polipirrolo, un polimero elettroattivo che subisce una variazione di volume a causa di una ossido-riduzione elettrochimica, applicando una differenza di potenziale piuttosto bassa, pari a 1-2V. Ciò accade principalmente a causa dell’inserimento o la rimozione di ioni o solventi all’interno della matrice polimerica. Affinché questo processo avvenga, si adoperano una soluzione elettrolitica o un polimero elettrolita, che si comportano come sorgente di ioni.

Il tessuto, realizzato in Lyocell, una fibra prodotta dalla cellulosa, è stato successivamente rivestito con il polimero elettroattivo, creando un coating uniforme mediante la tecnica di polimerizzazione a vapore.

Successivamente è stata testata la forza isometrica e isotonica, integrando il tessuto in un braccio di leva, un vero e proprio braccio robotico, che è riuscito a sollevare fino a due grammi di peso. Tali forze sono realmente sviluppate da un muscolo in tensione: la contrazione isometrica si verifica quando il muscolo si contrae senza spostare il suo carico, quella isotonica quando il muscolo si accorcia sviluppando una tensione costante per il tempo di accorciamento.

Immagine del tessuto non sottoposto sforzo e successivamente sottoposto ad uno sforzo pari al 220%

In questo modo è stato progettato un attuatore tessile privo di qualsiasi elemento metallico, che presenta un impatto minore a livello di ingombro, peso, rigidità e rumore, rispetto alle “tradizionali” protesi elettroniche.

L’idea dei ricercatori è quella di integrare gli attuatori tessili, nei normali capi di abbigliamento, per esempio le calzemaglie, per costituire un esoscheletro che sostenga la camminata, oppure i calzini o i manicotti per prevenire e curare l’edema, gonfiore causato da una forte ritenzione di liquidi.

Al momento però tale dispositivo opera solo in ambiente acquoso, i ricercatori infatti promettono di perfezionare il tessu-attuatore, per esempio introducendo fibre di carbonio, metalli o altri filati “intelligenti”, che consentano il miglioramento di questo nuovo muscolo artificiale. Scrivono gli studiosi svedesi,

“Immaginiamo un futuro in cui saremo in grado di scuotere la mano di un mutilato, sapendo che protesi intelligenti guidate da attuatori tessili, rendono possibile il gesto”

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