L’invenzione. Un sistema circolatorio per robot e vestiti high-tech
Robot, macchine e tessuti possono essere dotati di un sistema circolatorio simile a quelli presenti negli esseri umani, negli animali e nelle piante. La ricerca pubblicata è dell’ex studente del Poliba, Vito Cacucciolo, oggi, ricercatore di ritorno
Dai banchi universitari del Poliba, ai laboratori internazionali per far ritorno al Politecnico con una idea vincente, pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica internazionale, “Science”.
E’ una storia personale, che nasce in Puglia e che torna in Puglia, quella di Vito Cacucciolo, di Bari, ex studente del Politecnico, ingegnere meccanico, oggi ricercatore presso il Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Poliba e dell’MIT di Boston.
Il protagonista della ricerca, Vito per brevità, classe 1985, maturità classica all’Istituto Margherita del capoluogo, si laurea al Poliba in Ingegneria Meccanica triennale nel 2010 e in Ingegneria Magistrale nel 2013 con lode. Durante la laurea magistrale svolge un percorso di double degree con la New York University, dove consegue il Master of Science nel 2013 in Mechanical Engineering. La tesi di laurea sviluppata congiuntamente tra Politecnico di Bari e New York University, ha per titolo, “Analisi biomeccanica di un ginocchio umano”. La tesivince il primo premio dell’associazione MIMOS (Movimento Italiano di Modellazione e Simulazione) nel 2013.
Il percorso di double degree e il lavoro di tesi spronano il nostro protagonista verso la ricerca scientifica. Rifiuta l’offerta di un dottorato, PhD alla New York University e rientra in Italia. Vince la selezione per il dottorato in “BioRobotica” presso la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, istituzione fortemente orientata alla ricerca dove consegue il dottorato con lode nel 2017.
La sua ricerca di dottorato si concentra sullo studio dei muscoli animali, in particolare dei cefalopodi, ad esempio il polpo, come ispirazione per realizzare muscoli artificiali per Robots ed Esoscheletri. Sviluppa modelli matematici di questi muscoli e del loro controllo neurale partendo dagli studi sugli animali. Usando questa conoscenza, realizza dei prototipi ingegneristici di muscoli artificiali azionati a fluido.
Durante il dottorato, nel laboratorio dell’Istituto di BioRobotica di Livorno, Vito instaura una collaborazione con il prof. Shingo Maeda, ricercatore e professore al Tokyo Institute of Technology. Lo studio in collaborazione porta a realizzare nuovi componenti che inducono movimento nei fluidi attraverso l’uso dei campi elettrici. Il lavoro viene pubblicato sulla prestigiosa rivista “Advanced Science” nel 2017. Ma soprattutto è qui che nasce l’intuizione che questo meccanismo avrebbe potuto essere applicato per risolvere il principale problema dei muscoli artificiali azionati a fluido: renderli autonomi eliminando le ingombranti pompe, necessarie al loro funzionamento. Muovere i fluidi attraverso i campi elettrici, questa è l’idea, la svolta.
Vito contatta il prof. Herbert Shea dell’EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne), a capo di uno dei laboratori più avanzati al mondo nel settore dei muscoli artificiali. Il Prof. Shea gli offre un lavoro nel suo laboratorio per sviluppare questo progetto. Vito si trasferisce presso il campus di Neuchâtel in Svizzera dove sviluppa la complessa e ambiziosa attività di ricerca.
Nel 2019 i risultati della ricerca portano all’invenzione delle prime Stretchable Pumps: pompe estensibili e allo stato solido, miniaturizzate e realizzate interamente in elastomero (famiglia dei siliconi), capaci di azionare muscoli artificiali fluidici e dispositivi indossabili per termoregolazione. Gli ambiziosi risultati sono resi possibili dai contributi di un ampio team, che coinvolge sempre il prof. Shingo Maeda e a cui si sono aggiunti il prof. Dario Floreano e il dr. Jun Shintake sempre dell’EPFL. Lo studio dal titolo “Stretchable Pumps for Soft Machines” viene pubblicato sulla prestigiosa rivista “Nature”.
Il successo della ricerca porta a finanziamenti da parte del Fondo Nazionale Svizzero per proseguire le attività. Vito vince una Fellowship dalla Japan Society for the Promotion of Science (JSPS). Le pompe allo stato solido, grazie alle dimensioni ridotte, all’assenza di vibrazioni e alla costruzione utilizzando materiali flessibili hanno un evidente potenziale nel rivoluzionare l’utilizzo dei fluidi in robotica e in dispositivi indossabili.
Vito e il prof. Shea hanno un’idea per aumentare drasticamente l’utilizzabilità di questa tecnologia in dispositivi indossabili: trasformare le pompe in sottili fibre (diametro 1 mm!) che possano essere direttamente intrecciate nei tessuti, chiamate “Fiber Pumps”. Per fare questo, concepiscono un innovativo design dove gli elettrodi sono disposti a spirale.
Vito nel frattempo rientra in Italia per contribuire allo sviluppo della ricerca e dell’insegnamento grazie all’esperienza acquisita e al suo ruolo di ricercatore affermato all’interno della comunità scientifica. Si trasferisce a Bari, lì, dove tutto è cominciato, per continuare le attività di ricerca nel DMMM (Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management) del Politecnico di Bari. Qui viene contattato dal Massachusets Institute of Technology (MIT) di Boston (USA), che gli propone di lavorare anche con loro per l’utilizzo degli attuatori fluidici di sua invenzione per realizzare una nuova generazione di tessuti attivi per Human Computer Interaction. La ricerca sulle Fiber Pumps prosegue. Il team ora composto da Vito al Politecnico e Michael Smith ed Herbert Shea a EPFL ha successo; realizza le prime pompe al mondo nella forma di semplici tubicini elastici spessi 2 mm. Le Fiber Pumps producono pressione e movimento di liquidi applicando semplicemente una batteria che alimenta un micro-controllore grande quanto uno smartphone, eliminando oltre il 90% della massa e dei componenti che fino a quel momento hanno composto un sistema fluidico. Le fiber pumps vengono pubblicate sulla prestigiosa rivista “Science” il 31 marzo 2023 (Doi:10.1126/science.ade8654; https://doi.org/10.1126/science.ade8654). “Questa invenzione cambierà le frontiere dell’utilizzo dei fluidi nei robot e nei dispositivi indossabili” – dice Vito Cacucciolo.
Robot, macchine e tessuti da questo momento possono essere dotati di un sistema di circolazione simile a quelli presenti negli esseri umani, negli animali e nelle piante. Questa tecnologia, dalle potenzialità rivoluzionarie è straordinaria come la storia dell’ex studente pugliese del Politecnico di Bari tornato, dove tutto ebbe inizio, per costruire il mondo di domani che è già tra noi.
La scheda della ricerca pubblicata su Science. Delle vere e proprie pompe miniaturizzate all’interno di un tubo in elastomero termoplastico. Il liquido viene movimentato da un campo elettrico. Un team di ricercatori all’EPFL (Politecnico Federale Svizzero con sede a Losanna) e Politecnico di Bari ha sviluppato le prime fiber-pumps: sottili fibre che mettono in circolazione un liquido al loro interno. La circolazione del liquido avviene attraverso un campo elettrico generato da speciali elettrodi a spirale. Intrecciate con i normali tessuti le fiber pumps realizzano abiti high-tech con funzione di esoscheletri attuati da muscoli artificiali, feedback tattile per realtà virtuale e realtà aumentata immersive e termoregolazione per raffreddare o riscaldare il corpo usando la circolazione di liquido.
Comunicato stampa.
Note.
Citazione all’articolo su Science Smith, M., Cacucciolo, V., Shea, H., 2023. Fiber pumps for wearable fluidic systems. Science 379, 1327–1332.
Doi: 10.1126/science.ade8654
Link pubblico all’articolo
Video che sintetizza la ricerca: https://youtu.be/4_w8RxUY234