Il muscolo artificiale alimentato dalla luce funziona in acqua / Light-powered artificial muscle works in water

 Il muscolo artificiale alimentato dalla luce funziona in acqua / Light-powered artificial muscle works in water

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Controllando la chiralità delle molle elicoidali, la direzione di attuazione potrebbe essere progettata in modo reversibile. Panoramica schematica dei muscoli artificiali alimentati dalla luce, abilitati dall'elastomero a cristalli liquidi semicristallini funzionalizzato con azobenzene (AC-LCE)   / By controlling the chirality of the coiled springs, the direction of actuation could be reversibly designed . Schematic overview of light-powered artificial muscles enabled by azobenzene-functionalized semi-crystalline liquid crystal elastomer (AC-LCE) 

Un gruppo di ricerca internazionale ha sviluppato un muscolo artificiale alimentato dalla luce che funziona sott'acqua: un progresso che potrebbe aprire la strada alla robotica morbida di prossima generazione.

Il Dott. Hyun Kim del Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), il Prof. Habeom Lee della Pusan ​​National University e il Prof. Taylor H. Ware della Texas A&M University hanno sviluppato muscoli artificiali basati su elastomeri a cristalli liquidi semicristallini funzionalizzati con azobenzene (AC-LCE) che si attivano in risposta alla luce.

Gli attuatori robotici morbidi tradizionali azionati da elettricità, calore o sistemi pneumatici ed idraulici risultano spesso difficili da utilizzare in ambienti sottomarini a causa dell'esposizione all'acqua di componenti quali batterie, motori, fili o pompe.

Sebbene siano stati proposti materiali fototermici, ottenere cambiamenti di forma sott'acqua rimane una sfida a causa degli effetti di raffreddamento concomitanti, che ne hanno finora limitato l'utilizzo. Anche gli attuatori fotochimici esistenti sono stati segnalati principalmente come capaci di eseguire semplici movimenti di flessione, poiché i cambiamenti strutturali a livello molecolare si verificano solo in prossimità della superficie.

Per superare queste limitazioni, il gruppo ha progettato AC-LCE con rigidità migliorata e strutture controllate. Incorporando molecole di azobenzene in un elastomero a cristalli liquidi appositamente progettato, hanno creato materiali che si contraggono o si espandono quando irradiati rispettivamente con luce UV o visibile. A differenza della maggior parte dei sistemi fototermici o elettrotermici, questi materiali possono mantenere temporaneamente il loro stato deformato anche dopo lo spegnimento della luce, consentendo un meccanismo di bloccaggio "a scatto" che consente il controllo sequenziale e spaziale del movimento.

Gli AC-LCE sono stati fabbricati in strutture a molla lineari ed ad anello ed integrati in prototipi robotici sottomarini. Si dice che gli attuatori abbiano dimostrato deformazioni di attuazione oltre tre volte superiori rispetto ai precedenti attuatori a base di azobenzene e generato una capacità di lavoro superiore di un fattore due a quella del muscolo dei mammiferi. Inoltre, controllando la chiralità delle molle elicoidali, è stato possibile progettare in modo reversibile la direzione di attuazione.

Utilizzando questi muscoli artificiali, il gruppo ha dimostrato la capacità di realizzare robot morbidi sottomarini completamente autonomi, in grado di afferrare e rilasciare oggetti o di strisciare attraverso tubi senza batterie, cavi o pompe. Secondo il gruppo, questi sistemi si sono dimostrati affidabili e hanno funzionato ripetutamente per oltre 100 cicli di luce.

Il gruppo mira a commercializzare questa tecnologia entro il 2030 attraverso ulteriori ricerche sulla scalabilità dei materiali e sull'integrazione dei sistemi. Secondo i ricercatori, questa innovazione rappresenta un significativo passo avanti nello sviluppo di sistemi di attuazione intelligenti ed indipendenti, adatti a diversi ambienti.

ENGLISH

An international research team has developed a light-powered artificial muscle that operates underwater, an advance that could lead to next-generation soft robotics.

Dr. Hyun Kim at the Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Prof. Habeom Lee at Pusan National University, and Prof. Taylor H. Ware at Texas A&M University developed the artificial muscles based on azobenzene-functionalised semicrystalline liquid crystal elastomers (AC-LCEs) that actuate in response to light.

Traditional soft robotic actuators driven by electricity, heat, or pneumatic and hydraulic systems are often challenging to operate in underwater environments due to the exposure of components like batteries, motors, wires, or pumps to water.

While photothermal materials have been proposed, achieving shape changes underwater remains challenging due to concurrent cooling effects, which has so far restricted their use. Existing photochemical actuators have also been mainly reported as performing simple bending motions, as molecular-level structural changes only occur near the surface.

To overcome these limitations, the team designed AC-LCEs with enhanced stiffness and controlled structures. By incorporating azobenzene molecules into a specifically engineered liquid crystal elastomer, they created materials that contract or expand when irradiated with UV or visible light, respectively. Unlike most photothermal or electrothermal systems, these materials can temporarily retain their deformed state even after the light is turned off, enabling a ‘latch-like’ locking mechanism that allows for sequential and spatial control of motion.

The AC-LCEs were fabricated into linear and ring-shaped spring structures and integrated into underwater robotic prototypes. The actuators are said to have demonstrated actuation strains more than three times higher than previous azobenzene-based actuators and generated work capacity exceeding those of mammalian muscle by a factor of two. Furthermore, by controlling the chirality of the coiled springs, the direction of actuation could be reversibly designed.

Using these artificial muscles, the team demonstrated fully untethered underwater soft robots that can grip and release objects or crawl through pipes without any batteries, wires, or pumps. According to the team, these systems were reliable repeatedly operated over 100 light cycles.

The team aims to commercialize this technology by 2030 through further research on material scalability and system integration. According to the researchers, this innovation represents a meaningful step forward in the development of untethered, intelligent actuation systems suitable for diverse environments.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/light-powered-artificial-muscle-works-in-water/?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic