“I muscoli sono l’anello di congiunzione tra il pensiero e l’azione. I cefalopodi, con i loro tentacoli flessibili e densi di fibre muscolari, sono una meraviglia dell’evoluzione. Il loro cervello è molto più piccolo di quello dei vertebrati. Nonostante ciò riescono a controllare tentacoli complessi con estrema destrezza. Come ci riescono? Rispondere a questa domanda scientifica ci ha permesso di capire meglio la connessione tra pensiero e azione, fornendoci strumenti per progettare robot più agili e intelligenti”. A parlare è Vito Cacucciolo – classe 1985, ricercatore presso il Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Politecnico di Bari e del Massachusets Institute of Technology di Boston –, l’inventore delle Stretchable Pumps, pompe estensibili allo stato solido, miniaturizzate e realizzate in elastomero siliconico, dentro cui scorre un liquido movimentato da un campo elettrico. Intrecciate con i normali tessuti, le Fiber Pumps (questo il nome ufficiale), ispirate al sistema circolatorio degli organismi viventi, realizzano abiti high-tech con funzione di esoscheletri attuati da muscoli artificiali, feedback tattile per realtà virtuale e realtà aumentata immersive e termoregolazione per riscaldare o raffreddare il corpo utilizzando la circolazione del liquido.
Di fatto, robot e dispositivi indossabili potranno presto “interagire” con le persone e l’ambiente grazie a questo sistema elettronico miniaturizzato in filamenti, che permette di comandare i muscoli artificiali in modo simile a quanto avviene nel corpo degli esseri viventi. Attraverso una nota, il Politecnico di Bari – fondato nel 1990, è il più giovane tra i politecnici italiani e unico nel Mezzogiorno – ha parlato di una “tecnologia, dalle potenzialità rivoluzionarie, straordinaria come la storia dell’ex studente pugliese del Politecnico di Bari tornato, dove tutto ebbe inizio, per costruire il mondo di domani che è già tra noi”.
Tutto ciò rappresenta l’approdo di un lungo e complesso cammino (iniziato nel 2017, quando il ricercatore ha conseguito il dottorato in Biorobotica presso la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa nel gruppo di Cecilia Laschi) che qui ripercorriamo passo dopo passo.
In natura l’incipit per lo sviluppo di un sistema circolatorio artificiale miniaturizzato
La ricerca di dottorato di Cacucciolo si concentra sullo studio dei muscoli animali, con particolare rimando ai cefalopodi, ad esempio il polpo, quale ispirazione per creare muscoli artificiali destinati a robot ed esoscheletri: “Per realizzare robot con elevata destrezza e capacità di adattamento ad ambienti complessi l’Intelligenza Artificiale non basta. I muscoli artificiali sono il componente essenziale per dotare i robot di intelligenza meccanica, ovvero la capacità di adattare il movimento all’ambiente circostante”, spiega lui stesso.
La ricerca sviluppa modelli matematici di tali muscoli e del loro controllo neurale partendo dagli studi sugli animali
La ricerca sviluppa modelli matematici di tali muscoli e del loro controllo neurale partendo dagli studi sugli animali. Usando questa conoscenza, realizza dei prototipi ingegneristici di muscoli artificiali azionati a fluido. “Lo studio dei cefalopodi ci ha fornito spunti per progettare muscoli artificiali flessibili, miniaturizzati, la cui forma viene adattata alle diverse parti del corpo”, incalza Cacucciolo, precisando che “i muscoli artificiali sono forse ancor più importanti per i robot indossabili, quali gli esoscheletri, dove la flessibilità e l’utilizzo di materiali soft sono indispensabili per il trasferimento delle forze al corpo umano”.
Per superare ii problema delle ingombranti pompe necessarie al funzionamento dei muscoli artificiali azionati a fluido, si sviluppa l’idea di muoverli grazie ai campi elettrici
Nel corso del dottorato presso il laboratorio dell’istituto di Biorobotica di Livorno, il ricercatore instaura una collaborazione con Shingo Maeda, ricercatore e professore al Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech). Lo studio congiunto porta a realizzare nuovi componenti che inducono movimento nei fluidi attraverso l’utilizzo dei campi elettrici. Nel 2017 il lavoro viene pubblicato sulla rivista Advanced Science. Ma, soprattutto, è qui che nasce l’intuizione che questo meccanismo avrebbe potuto essere applicato per risolvere il principale problema dei muscoli artificiali azionati a fluido: renderli autonomi eliminando le ingombranti pompe, necessarie al loro funzionamento. Muovere i fluidi attraverso i campi elettrici, questa è l’idea: “I muscoli artificiali azionati a fluido hanno delle proprietà straordinarie. Possono essere realizzati con materiali flessibili e producono forze e velocità elevate. Alcuni insetti come ad esempio i ragni utilizzano muscoli azionati a fluido per correre e saltare. Nella versione rigida i muscoli a fluido sono già applicati su alcuni tra i robot più avanzati al mondo, come l’umanoide Atlas prodotto da Boston Dynamics, capace di salti straordinari e capriole”, circoscrive Cacucciolo.
Pompe estensibili, miniaturizzate e realizzate in elastomero
A questo punto, il ricercatore italiano contatta il professor Herbert Shea dell’Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) – a capo di uno dei centri più avanzati al mondo nel comparto dei muscoli artificiali – che gli offre un lavoro nel suo laboratorio per sviluppare il progetto. Proposta accettata: Cacucciolo si trasferisce nel campus di Neuchâtel, in Svizzera, dove sviluppa la complessa e ambiziosa attività di ricerca. Nel 2019 i risultati dello studio – resi possibili dal contributo di un ampio team, che coinvolge, oltre al già citato professor Maeda, il professore Dario Floreano e il dottor Jun Shintake dell’EPFL – vengono esaltati dalla pubblicazione dello stesso (titolo: “Stretchable pumps for soft machines”) sulla rivista Nature. Il successo ottenuto porta a ricevere finanziamenti dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica volti al proseguo delle attività. Il ricercatore riceve una fellowship dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).
Per merito delle dimensioni ridotte, dell’assenza di vibrazioni e della costruzione in materiali flessibili, le pompe allo stato solido hanno un evidente potenziale nel rivoluzionare l’utilizzo dei fluidi in robotica e in dispositivi indossabili. Cacucciolo e il professor Shea hanno quindi un’idea per incrementare, in modo drastico, l’utilizzabilità di questa tecnologia in wearable indossabili: trasformare le pompe in sottili fibre (1 millimetro di diametro), denominate Fiber Pumps, che possano essere direttamente intrecciate nei tessuti, Per fare questo, i due professionisti concepiscono un innovativo design dove gli elettrodi sono disposti a spirale.
Dalla Svizzera al ritorno in Italia (passando per gli Stati Uniti)
Nel frattempo Cacucciolo rientra in Italia per contribuire allo sviluppo della ricerca e dell’insegnamento grazie all’esperienza acquisita e al suo ruolo di ricercatore affermato all’interno della comunità scientifica. Riprende le attività di ricerca presso il Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Politecnico di Bari. Qui viene contattato dal Massachusets Institute of Technology (MIT) di Boston, che gli propone di lavorare anche con loro in merito all’uso degli attuatori fluidici di sua invenzione per realizzare una nuova generazione di tessuti attivi per Human Computer Interaction. La ricerca sulle Fiber Pumps prosegue. Il team composto dal ricercatore italiano al Poliba e Michael Smith ed Herbert Shea a EPFL ha successo: realizza le prime pompe al mondo nella forma di semplici tubicini elastici spessi 2 millimetri.
Nel dettaglio, le Fiber Pumps producono pressione e movimento di liquidi applicando semplicemente una batteria che alimenta un micro-controllore grande quanto uno smartphone, eliminando oltre il 90% della massa e dei componenti che fino a quel momento hanno composto un sistema fluidico. Le Fiber Pumps vengono pubblicate sulla prestigiosa rivista Science il 31 marzo 2023. “Uno degli obiettivi principali della ricerca è realizzare muscoli artificiali flessibili azionati a fluido. Prima della nostra invenzione, il collo di bottiglia era come trasformare l’energia elettrica di una batteria in energia di pressione del liquido da usare nei muscoli. In pratica una pompa, ma realizzata in materiali flessibili e di dimensioni ridotte così da essere integrata negli arti di un robot o all’interno di un esoscheletro indossabile”, spiega Cacucciolo, puntualizzando che “questo tipo di esoscheletri completamente flessibili trova applicazione sia per supporto muscolare che in aptica, ovvero per fornire feedback tattile in applicazioni di realtà virtuale (VR) e realtà aumentata (AR)”.
Grazie all’invenzione delle pompe soft allo stato solido e in forma di fibra, ora è possibile ottenere muscoli artificiali interamente in materiali flessibili e di qualsivoglia forma e dimensione
Pertanto, grazie all’invenzione delle pompe soft allo stato solido e in forma di fibra, ora è possibile ottenere muscoli artificiali interamente in materiali flessibili e di qualsivoglia forma e dimensione. “Ciò permette per la prima volta esoscheletri flessibili non più ingombranti di normali vestiti e apre nuove porte. Questo sia per supporto muscolare che per feedback tattile. Basti pensare a un guanto che possa fare percepire il contatto con oggetti virtuali oppure che sia in grado di guidare un pianista nell’imparare i movimenti per suonare una melodia”, conclude Cacucciolo, che è anche co-fondatore e CEO di Omnigrasp, una spin-off dell’EPFL e del Poliba incentrata sulla realizzazione di mani robotiche soft per applicazioni industriali in cui si maneggiano oggetti estremamente delicati (ad esempio, la frutta e gli ortaggi).
