Muscolo robotico auto-riparante di Husker Engineers: il futuro della robotica morbida / Self-Healing Robotic Muscle by Husker Engineers: The Future of Soft Robotics
Muscolo robotico auto-riparante di Husker Engineers: il futuro della robotica morbida / Self-Healing Robotic Muscle by Husker Engineers: The Future of Soft Robotics
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
L'ingegnere Eric Markvicka di Husker, insieme agli studenti laureati Ethan Krings e Patrick McManigal, ha recentemente presentato un documento alla prestigiosa conferenza internazionale IEEE su robotica ed automazione ad Atlanta, in Georgia, che illustra un approccio a livello di sistema per una tecnologia muscolare robotica auto-riparante in grado di identificare danni causati da una foratura o da una pressione estrema, individuarne la posizione ed avviare autonomamente l'auto-riparazione.
L'articolo è stato tra i 39 dei 1.606 lavori presentati, selezionati come finalisti per il premio ICRA 2025 Best Paper Award. È stato anche finalista per il premio Best Student Paper Award e nella categoria Meccanismi e progettazione.
La strategia del gruppo potrebbe contribuire a superare un annoso problema nello sviluppo di sistemi di robotica morbida che importano principi di progettazione ispirati alla natura.
"Nella nostra comunità, c'è una forte spinta verso la replica dei tradizionali sistemi rigidi utilizzando materiali morbidi, ed un forte movimento verso la biomimetica", ha affermato Markvicka, Robert F. e Myrna L. Krohn, Professori Associati di Ingegneria Biomedica. "Sebbene siamo stati in grado di creare componenti elettronici ed attuatori estensibili, morbidi e conformi, spesso non imitano la biologia nella loro capacità di rispondere ai danni e quindi di autoripararsi".
Progettazione e funzionalità del muscolo robotico auto-riparante
Per colmare questa lacuna, il suo gruppo ha sviluppato un muscolo robotico intelligente ed auto-riparante, dotato di un'architettura multistrato che consente al sistema di identificare e localizzare i danni, per poi avviare un meccanismo di autoriparazione, il tutto senza interventi esterni.
"Il corpo umano e gli animali sono straordinari. Possiamo tagliarci, procurarci lividi e riportare ferite piuttosto gravi. E nella maggior parte dei casi, con applicazioni esterne molto limitate di bende e farmaci, siamo in grado di auto-guarire molte cose", ha affermato Markvicka. "Se potessimo replicare questo processo all'interno di sistemi sintetici, ciò trasformerebbe davvero il settore ed il nostro modo di concepire l'elettronica e le macchine".
Il "muscolo" del gruppo – od attuatore, la parte di un robot che converte l'energia in movimento fisico – è composto da tre strati. Quello inferiore – lo strato di rilevamento dei danni – è una morbida pelle elettronica composta da microgocce di metallo liquido incorporate in un elastomero siliconico. Questa pelle aderisce allo strato intermedio, il componente auto-riparante, che è un elastomero termoplastico rigido. Sopra si trova lo strato di attuazione, che avvia il movimento del muscolo quando viene pressurizzato con acqua.
Rilevamento dei danni e processo di riparazione autonomo
Per avviare il processo, il gruppo induce cinque correnti di monitoraggio attraverso la "pelle" inferiore del muscolo, collegata ad un microcontrollore ed ad un circuito di rilevamento. La perforazione od il danno da pressione a quello strato innesca la formazione di una rete elettrica tra le tracce. Il sistema riconosce questa impronta elettrica come prova di danno e successivamente aumenta la corrente che scorre attraverso la rete elettrica appena formata.
Ciò consente alla rete di funzionare come un riscaldatore Joule locale, convertendo l'energia della corrente elettrica in calore attorno alle aree danneggiate. Dopo pochi minuti, questo calore fonde e rielabora lo strato termoplastico intermedio, che sigilla il danno, auto-riparando efficacemente la ferita.
Ripristino del sistema di rilevamento dei danni mediante elettromigrazione
L'ultimo passaggio consiste nel ripristinare il sistema al suo stato originale, cancellando l'impronta elettrica danneggiata dello strato inferiore. Per fare ciò, il gruppo di Markvicka sta sfruttando gli effetti dell'elettromigrazione, un processo in cui una corrente elettrica provoca la migrazione di atomi metallici. Il fenomeno è tradizionalmente considerato un ostacolo nei circuiti metallici, poiché gli atomi in movimento si deformano e causano lacune nei materiali del circuito, causando guasti e rotture del dispositivo.
In un'importante innovazione, i ricercatori stanno utilizzando l'elettromigrazione per risolvere un problema che da tempo affligge i loro sforzi per creare un sistema muscolare robotico autonomo ed auto-riparante: l'apparente permanenza delle reti elettriche indotte dai danni nello strato inferiore. Senza la possibilità di ripristinare le tracce di monitoraggio di base, il sistema non può completare più di un ciclo di danno e riparazione.
I ricercatori hanno pensato che l'elettromigrazione, con la sua capacità di separare fisicamente gli ioni metallici ed innescare guasti a circuito aperto, potesse essere la chiave per cancellare le tracce appena formate. La strategia ha funzionato: aumentando ulteriormente la corrente, il gruppo può indurre meccanismi di elettromigrazione e guasti termici che ripristinano la rete di rilevamento dei danni.
"L'elettromigrazione è generalmente vista come un enorme fattore negativo", ha affermato Markvicka. "È uno dei colli di bottiglia che ha impedito la miniaturizzazione dell'elettronica. Qui la utilizziamo in un modo unico e davvero positivo. Invece di cercare di impedirla, per la prima volta la stiamo sfruttando per cancellare tracce che prima pensavamo fossero permanenti".
Potenziali applicazioni ed impatto ambientale della tecnologia
La tecnologia di autoriparazione autonoma ha il potenziale per rivoluzionare molti settori. In stati agricoli come il Nebraska, potrebbe rivelarsi una vera e propria manna per i sistemi robotici che spesso si imbattono in oggetti appuntiti come ramoscelli, spine, plastica e vetro. Potrebbe anche rivoluzionare i dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute, che devono resistere all'usura quotidiana.
La tecnologia porterebbe benefici anche alla società in senso più ampio. La maggior parte dei dispositivi elettronici di consumo ha una durata di vita di soli uno o due anni, contribuendo alla produzione di miliardi di chili di rifiuti elettronici ogni anno. Questi rifiuti contengono tossine come piombo e mercurio, che minacciano la salute umana ed ambientale. Le tecnologie di autoriparazione potrebbero contribuire ad arginare questa tendenza.
"Se potessimo iniziare a creare materiali in grado di rilevare in modo passabile ed autonomo quando si è verificato un danno e poi avviare questi meccanismi di autoriparazione, sarebbe davvero una svolta", ha affermato Markvicka.
ENGLISH
University of Nebraska-Lincoln engineering team make further developments in soft robotics and wearable systems that mimic the ability human and plant skin to detect and heal injuries.
Husker engineer Eric Markvicka, along with graduate students Ethan Krings and Patrick McManigal, recently presented a paper at the prestigious IEEE International Conference on Robotics and Automation in Atlanta, Georgia, that sets forth a systems-level approach for a self-healing robotic muscle technology that can identify damage from a puncture or extreme pressure, pinpoint its location and autonomously initiate self-repair.
The paper was among the 39 of 1,606 submissions selected as an ICRA 2025 Best Paper Award finalist. It was also a finalist for the Best Student Paper Award and in the mechanism and design category.
The team’s strategy may help overcome a longstanding problem in developing soft robotics systems that import nature-inspired design principles.
“In our community, there is a huge push toward replicating traditional rigid systems using soft materials, and a huge movement toward biomimicry,” said Markvicka, Robert F. and Myrna L. Krohn Assistant Professor of Biomedical Engineering. “While we’ve been able to create stretchable electronics and actuators that are soft and conformal, they often don’t mimic biology in their ability to respond to damage and then initiate self-repair.”
Design and Functionality of the Self-Healing Robotic Muscle
To fill that gap, his team developed an intelligent, self-healing robotic muscle featuring a multi-layer architecture that enables the system to identify and locate damage, then initiate a self-repair mechanism — all without external intervention.
“The human body and animals are amazing. We can get cut and bruised and get some pretty serious injuries. And in most cases, with very limited external applications of bandages and medications, we’re able to self-heal a lot of things,” Markvicka said. “If we could replicate that within synthetic systems, that would really transform the field and how we think about electronics and machines.”
The team’s “muscle” — or actuator, the part of a robot that converts energy into physical movement — has three layers. The bottom one — the damage detection layer — is a soft electronic skin composed of liquid metal microdroplets embedded in a silicone elastomer. That skin is adhered to the middle layer, the self-healing component, which is a stiff thermoplastic elastomer. On top is the actuation layer, which kick-starts the muscle’s motion when pressurized with water.
Damage Detection and Autonomous Repair Process
To begin the process, the team induces five monitoring currents across the bottom “skin” of the muscle, which is connected to a microcontroller and sensing circuit. Puncture or pressure damage to that layer triggers formation of an electrical network between the traces. The system recognizes this electrical footprint as evidence of damage and subsequently increases the current running through the newly formed electrical network.
This enables that network to function as a local Joule heater, converting the energy of the electric current into heat around the areas of damage. After a few minutes, this heat melts and reprocesses the middle thermoplastic layer, which seals the damage — effectively self-healing the wound.
Resetting the Damage Detection System Using Electromigration
The last step is resetting the system back to its original state by erasing the bottom layer’s electrical footprint of damage. To do this, Markvicka’s team is exploiting the effects of electromigration, a process in which an electrical current causes metal atoms to migrate. The phenomenon is traditionally viewed as a hindrance in metallic circuits because moving atoms deform and cause gaps in a circuit’s materials, leading to device failure and breakage.
In a major innovation, the researchers are using electromigration to solve a problem that has long plagued their efforts to create an autonomous, self-healing robotic muscle system: the seeming permanency of the damage-induced electrical networks in the bottom layer. Without the ability to reset the baseline monitoring traces, the system cannot complete more than one cycle of damage and repair.
It struck the researchers that electromigration — with its ability to physically separate metal ions and trigger open-circuit failure — might be the key to erasing the newly formed traces. The strategy worked: By further ramping up the current, the team can induce electromigration and thermal failure mechanisms that reset the damage detection network.
“Electromigration is generally seen as a huge negative,” Markvicka said. “It’s one of the bottlenecks that has prevented the miniaturization of electronics. We use it in a unique and really positive way here. Instead of trying to prevent it from happening, we are, for the first time, harnessing it to erase traces that we used to think were permanent.”
Potential Applications and Environmental Impact of the Technology
Autonomously self-healing technology has potential to revolutionize many industries. In agricultural states like Nebraska, it could be a boon for robotics systems that frequently encounter sharp objects like twigs, thorns, plastic and glass. It could also revolutionize wearable health monitoring devices that must withstand daily wear and tear.
The technology would also benefit society more broadly. Most consumer-based electronics have lifespans of only one or two years, contributing to billions of pounds of electronic waste each year. This waste contains toxins like lead and mercury, which threaten human and environmental health. Self-healing technology could help stem the tide.
“If we can begin to create materials that are able to passably and autonomously detect when damage has happened, and then initiate these self-repair mechanisms, it would really be transformative,” Markvicka said.
Da:
https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/self-healing-robotic-muscle-by-husker-engineers-the-future-of-soft-robotics?
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