Hanno dimensioni di pochi centimetri e pesano solo qualche grammo, ma sono in grado di sollevare pesi centinaia di volte superiori al loro. È una tipologia di attuatori elettrostatici di nuova concezione. Pensati per robot operanti in orbita, sistemi per l’esplorazione planetaria, meccanismi mobili per satelliti e telescopi spaziali. Il primo passo della loro fabbricazione è avvenuto al Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Trento nell’ambito di una ricerca coordinata dall’Istituto di Intelligenza meccanica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, in collaborazione con l’Istituto italiano di Tecnologia. Lo studio ha avuto risonanza anche sulla rivista internazionale Nature Communications. Giacomo Moretti (nella foto ©UniTrento ph. Federico Nardelli), professore associato del Dipartimento di Ingegneria industriale di UniTrento, spiega la genesi di questi nuovi attuatori: piccoli, leggeri e potenti che aprono prospettive per la progettazione di robot spaziali più efficienti, affidabili ed economici.
«Sono di fatto dei motori elettrici di piccole dimensioni, con alcune caratteristiche sostanzialmente diverse», spiega Moretti. «I motori tradizionali, infatti, utilizzano magneti permanenti e hanno bisogno di una corrente che fluisca in maniera continua per fornire una forza. Questo ne causa il surriscaldamento, specialmente in assenza di aria, come nelle applicazioni spazio. I nostri sistemi, invece, utilizzano delle cariche statiche applicate sugli strati conduttivi del dispositivo. Quindi non sono soggetti a surriscaldamento, neanche nel vuoto.
I motori tradizionali inoltre sono pensati per ruotare ad alte velocità. Per effettuare un'operazione lenta, come muovere un carico verso l'alto e verso il basso, hanno bisogno di ingranaggi e meccanismi pesanti e voluminosi. I nostri attuatori, invece, effettuano naturalmente dei movimenti lineari (come dei muscoli), che sono particolarmente utili in applicazioni robotiche».
Moretti descrive la struttura di questi dispositivi: «Sono degli attuatori elettrostatici composti da strati flessibili: dei polimeri isolanti usati nell'industria elettronica di alto voltaggio, degli strati metallici nanometrici conduttivi che fungono da elettrodi (ossia permettono di portare le cariche al di sopra degli strati isolanti) e delle intercapedini sottovuoto (composte dalla stessa atmosfera presente al di fuori di un pianeta o sulla superficie di un pianeta diverso dalla Terra), che sono il cuore funzionale dei dispositivi. Queste intercapedini si chiudono e si deformano quando una tensione elettrica è applicata sugli strati conduttivi, consentendo al dispositivo di deformarsi ed esercitare forze sull'ambiente circostante».
Ma come funzionano? «Sono in grado di fornire delle forze, sollevare dei carichi, far muovere dei bracci robotici e così via quando viene fornita loro una tensione elettrica. Consentono di effettuare contrazioni lineari, ossia si accorciano. Per questo possono anche essere chiamati "muscoli artificiali". Sono piccoli e leggeri, ma capaci di deformarsi e di sollevare pesi centinaia di volte superiori al proprio».
I dispositivi sviluppati sono privi di ingranaggi e lubrificanti, e risultano compatibili con i materiali e gli standard impiegati nelle missioni spaziali. I primi risultati sperimentali hanno dimostrato la capacità di generare movimenti rapidi e forze significative, con un rapporto potenza-peso molto elevato e un consumo energetico ridotto, aspetti cruciali per l’impiego in orbita e nelle missioni di esplorazione.
«L’assenza di aria consente al nostro attuatore di raggiungere velocità molto elevate, eliminando le perdite dovute agli attriti», dichiara Giacomo Moretti. Racconta: «Il lavoro è iniziato oltre due anni fa. Come gruppo dell’Università di Trento, abbiamo contribuito in particolare alla concettualizzazione delle procedure e del banco prova che è stato realizzato per replicare le condizioni di vuoto spinto tipico delle applicazioni spaziali. Abbiamo dato inoltre il nostro apporto nell’elaborare delle procedure di fabbricazione dei dispositivi che utilizzassero materiali compatibili con le applicazioni spaziali. La costruzione degli attuatori, che sono stati testati a Pisa, ha richiesto un grosso lavoro di coordinamento: il primo step della fabbricazione dei dispositivi è avvenuto a Trento, mentre l'assemblaggio finale e il testing sono stati effettuati a Pisa. Abbiamo poi contribuito alla progettazione di interfacce meccaniche (come sistemi di afferraggio per la manipolazione di oggetti) che sono state accoppiate e testate insieme agli attuatori per dimostrarne la funzionalità in applicazioni spaziali». Le attività si sono svolte nel laboratorio di Space Applications e hanno coinvolto Daniele Bortoluzzi, che ha esperienza pluriennale di testing di sistemi per applicazioni spazio, e Giacomo Moretti, che si occupa di macchine elettrostatiche e attuatori per robotica. «Il lavoro è parte delle attività "Electroactive Soft Transducers Lab Trento” e rientra nel progetto “Fleap – Fluid gap Electro-Active-Polymer machines”, Erc Starting grant di cinque anni che coordino dal gennaio 2025», precisa Moretti.