Progetto 4D PRo, stampa di materiali smart per la robotica flessibile

Il progetto 4D P.Ro. (4D Printing of Smart Soft Robotics) è risultato vincitore del Bando PRIN 2022 ricevendo un contributo MUR pari quasi a 200mila euro nell’ambito delle iniziative nel settore STEM di ricercatori under 40.
Il progetto ha avuto come obiettivo lo sviluppo e la sperimentazione di tecniche innovative di stampa 3D di materiali intelligenti (smart materials) per la realizzazione di strutture di soft robotics autonome, capaci di adattarsi e reagire a stimoli esterni. L’acronimo “4D PRo” richiama il concetto di 4D printing, che mostra un’evoluzione della stampa 3D: la quarta dimensione è il tempo, inteso come capacità dei materiali stampati di modificare forma o funzione in risposta a stimoli esterni.

Se ne è discusso condividendone i risultati presso l’Universitas Mercatorum di Romaalla presenza dei protagonisti di questo lavoro. Presenti i gruppi di ricerca e istituzioni che hanno contribuito, ciascuno con un ruolo specifico e complementare presenti all’incontro. L’Universitas Mercatorum ha curato la valorizzazione e la gestione del progetto, individuando le configurazioni più efficaci per l’attuatore finale e coordinando la disseminazione dei risultati, rappresentata dal rettore Giovanni Cannata e dal dottore Davide Berardi.

L’Università degli Studi di Napoli Federico II ha partecipato con il personale del FoamLab, il laboratorio dedicato allo sviluppo di schiume polimeriche. Il professore Ernesto Di Maio, direttore del laboratorio, e Lorenzo Miele, assegnista di ricerca, si sono occupati di rendere ancora più soffici i soft robot, letteralmente schiumando i materiali a memoria di forma oggetto del progetto. La schiumatura, proprio come rende soffice una mousse (che in francese significa appunto “schiuma”), permette di ammorbidire i polimeri, aumentando la sicurezza dei dispositivi che interagiscono con l’uomo e non solo. “Le tecniche sviluppate nel FoamLab ci consentono di usare la schiumatura per conferire caratteristiche funzionali ai dispositivi – spiega Di Maio – “Riusciamo a dosare localmente il grado di schiumatura, ad esempio per realizzare schiume a gradiente, con un controllo tale da poter scrivere con le bolle”.  Lorenzo Miele, che ha portato avanti il progetto fin dalle prime fasi, in collaborazione con il team del partenariato e con il supporto di studenti tesisti e dottorandi federiciani, ha sviluppato conoscenze fondamentali nel campo delle tecnologie di trasformazione di questi materiali che risultano più complessi da modellare, ad esempio per la realizzazione di mani robotiche attive.

L’Università degli Studi di Roma Tor Vergata, attraverso il dipartimento di Economia e Management ha valutato l’impatto potenziale della ricerca sul mercato e le prospettive di trasferimento tecnologico; il Dipartimento di Ingegneria Industriale di ateneo ha invece lavorato sulla caratterizzazione dei polimeri smart e sulla progettazione dei componenti attuativi soft (Luna Leoni, Denise Bellisario e Fabrizio Quadrini). “Nel nostro caso – sottolinea la professoressa Leoni, P.I. (Principal Investigator)- il lavoro si è concentrato su polimeri a memoria di forma (SMPs), in particolare sull’utilizzo di TPU (poliuretani termoplasticidi) di grado biomedicale, caratterizzato da temperature di recupero prossime a quella corporea, così da favorire applicazioni in ambito medico e sanitario”. “Si parla in questo caso di smart soft robot morbido – specifica Leoni - intendendo una struttura robotica realizzata con materiali flessibili e deformabili (come elastomeri, schiume polimeriche o polimeri a memoria di forma), in grado di imitare le caratteristiche di adattabilità e sicurezza tipiche degli organismi naturali. Questi materiali consentono ai robot di deformarsi, adattarsi a superfici irregolari e operare in sicurezza a contatto con l’uomo, riducendo il rischio di danni”.  Hanno inoltre collaborato al progetto per Roma Tor Vergata Silvia Baiocco Anastassia Zannoni, assegnista di ricerca.

Il CNR – Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi ha sviluppato sensori e micro-riscaldatori integrabili negli attuatori soft, compatibili con i materiali smart utilizzati. La compagine del CNR, il progetto ha come responsabile di unità Luca Maiolo, primo ricercatore dell’Istituto per la microelettronica e microsistemi (Cnr-Imm), Francesco Maita ricercatore Cnr-Imm e gli assegnisti Elena Palmieri e Luca Montaina.

Tra le ricadute reali del progetto c’è la possibilità di creare dispositivi di nuova generazione, più leggeri, adattivi e sostenibili, con applicazioni in diversi settori. In ambito biomedicale, si aprono prospettive per lo sviluppo di protesi personalizzabili, sistemi riabilitativi non invasivi e dispositivi biomedicali attivi. In ambito industriale, i risultati consentono di immaginare processi produttivi più sicuri, adattivi e flessibili, grazie a robot morbidi in grado di interagire con ambienti complessi e variabili. L’innovazione del progetto 4D PRo risiede nell’aver sfruttato la combinazione di stampa 3D avanzata, materiali smart con memoria di forma e integrazione di elettronica funzionale. In particolare si è lavorato per massimizzare, già in fase di stampa, le proprietà di memoria di forma del TPU, ottimizzando i parametri di fabbricazione, si è sperimentata l’integrazione di schiume polimeriche per aumentare la capacità di recupero e di attuazione del materiale, rendendo i robot più efficienti e leggeri e sono stati sviluppati e integrati sensori e micro-riscaldatori compatibili con i materiali smart, per permettere un’attivazione controllata e ampliare le funzionalità degli attuatori.
La combinazione tra robotica soft e 4D printing posiziona l’Italia come attore di primo piano nella ricerca internazionale su tecnologie abilitanti di frontiera.