Un gruppo di scienziati appartenenti all’Università di Harvard hanno descritto una nuova classe di strutture pneumatiche che combina azionamento mediante pressione negative (sottovuoto), con l’instabilità di travi fabbricate in una lastra di elastomero, per ottenere molte caratteristiche simile a quelle dei muscoli dei mammiferi. Queste strutture pneumatiche, sottovuoto-azionate e muscolo-ispirate (Vacuum-Actuated Muscleinspired Pneumatic structures, VAMP), utilizzano l’instabilità di travi elastomeriche per generare movimenti lineari e rotazionali simili a quelli di muscoli scheletrici sotto la pressione negativa; la pressione esterna dell’ambiente provoca il loro collasso reversibile per instabilità. Come i muscoli, le strutture VAMP sono morbide, e quindi in grado di assorbire gli urti, e di interagire in modo non distruttivo con l’ambiente e in collaborazione con gli esseri umani. I VAMP hanno anche una struttura cellulare che ha il potenziale per consentire la riparazione dopo un possibile danneggiamento.
Diversamente dalle precedenti tipologie di attuatori morbidi, che spesso si muovono espandendosi sotto pressione, gli attuatori VAMP sono simili al muscolo, poiché non si espandono lungo la sezione trasversale durante l’azionamento (sebbene contraggano in volume totale); queste caratteristiche geometriche permettono ai VAMP di operare in ambienti con strette limitazioni in termini di spazio. Inoltre, i VAMP possono generare movimenti lineari con deformazioni fino al 45%, e possono sostenere sforzi fino a 65 kPa (lo sforzo massimo teorico è 100 kPa a pressione atmosferica, con valori ancora più elevati in ambienti iperbarici); sia la deformazione e lo sforzo che caratterizzano questi dispositivi sono simili a quelli del muscolo umano (deformazione tipica ≈20%, con il valore massimo ≈40%; massima sollecitazione costante ≈100 kPa, e massima sollecitazione impulsiva ≈350 kPa).
Per quanto riguarda l’aspetto strutturale, come mostrato nella Figura 1.A, la struttura elastomerica di VAMP consiste in travi verticali, travi orizzontali più sottili, e camere d’aria collegate. Il dispositivo è azionato mediante una singola porta esterna e una sorgente di vuoto.
La figura 1.B, mostra il meccanismo per la movimentazione, con il quale il vuoto permette alla pressione ambiente di comprimere la struttura, e quindi di causare l’instabilità dei travi orizzontali più sottili in forme serpentine, che a sua volta provoca la compressione della struttura in modo anisotropo. Questo progetto converte il lavoro pressione volume fatto applicando una pressione negativa in lavoro meccanico. (usato, ad esempio, per sollevare un peso, vedi Figura 1.C-D). Il meccanismo con cui i VAMP hanno ottenuto le loro prestazioni meccaniche dimostra un nuovo approccio per l’azionamento biomimetico: il movimento non lineare che causa instabilità cooperativa e reversibile che dà luogo al collasso delle travi elastomeriche.
Altre caratteristiche specifiche dei VAMP che li rendono utili in applicazioni specifiche sono l’affidabilità, U anche dopo un elevato numero di cicli di azionamento (il VAMP fabbricato in Elastosil non ha dimostrato nessun cambiamento significativo delle prestazioni dopo un milione di cicli); inoltre, i VAMP hanno un costo di fabbricazione sufficientemente basso da poter essere considerati per applicazioni monouso. Inoltre sfruttano le proprietà caratteristiche dei polimeri organici: leggerezza, trasparenza, proprietà elettriche che si estendono da isolante a conduttore, biocompatibilità, tassi di degradazione ambientale controllabili e facilità di fabbricazione in forme complesse. Riassumendo questo sistema sfrutta l’instabilità strutturale per raggiungere un utile e semplice (quasi-lineare) moto attraverso un meccanismo che coinvolge complessi movimenti non-lineari della struttura interna dei VAMPS.
