Guanto VR dalla stampante 3D

Dorina Opris, responsabile del gruppo di ricerca sui materiali polimerici funzionali, e il ricercatore dell'Empa Patrick Danner fanno parte di un progetto su larga scala sui polimeri elettroattivi, chiamato "Manufhaptics". L'obiettivo del progetto quadriennale guidato da Herbert Shea del Soft Transducers Lab dell'EPFL è un guanto che renda tangibili i mondi virtuali. Il fattore decisivo è che tutti i componenti del guanto, che esercitano varie forze sulla superficie della mano, devono essere producibili con una stampante 3D. In altre parole, si tratta di ricercare nuovi materiali in cui il metodo di produzione è considerato fin dall'inizio.

I team di ricerca dell'EPFL, del Politecnico di Zurigo e dell'Empa vogliono integrare tre diversi tipi di attuatori nel guanto, in modo che le superfici virtuali sembrino reali e gli oggetti possano essere afferrati nella giusta dimensione: Sul lato inferiore delle dita, i nubs possono crescere verso l'alto per imitare una certa texture di una superficie. Nella zona delle articolazioni delle dita sono montati dei freni elettrostatici che irrigidiscono il guanto e bloccano le articolazioni. In questo modo si simulano oggetti più grandi e solidi che oppongono resistenza quando vengono toccati. Il terzo tipo di attuatori che completano l'esperienza virtuale si chiama DEA, acronimo di attuatori elastici dielettrici. Questi DEA sono utilizzati sul dorso della mano; stringono la pelle esterna del guanto in modo che si adatti perfettamente a tutte le aree. Possono anche esercitare una pressione sulla superficie della mano durante l'esperienza VR. I DEA sono un sottoprogetto dell'Empa.

Attuatori elettrostatici di dimensioni millimetriche e rinforzati idraulicamente per dare la sensazione di tatto e consistenza (a sinistra). Attuatori elettrostatici ad alta forza in grado di bloccare le articolazioni delle dita per dare la sensazione di solidità agli oggetti virtuali (centro). Attuatore in elastomero dielettrico multistrato per il dimensionamento attivo dei guanti e la compressione localizzata (a destra). Illustrazione: Herbert Shea, EPFL (2021)

Dorina Opris, a capo del gruppo di ricerca, ha anni di esperienza con questi polimeri elettroattivi. "Questi polimeri elastici reagiscono ai campi elettrici e si contraggono come un muscolo", spiega la ricercatrice. "Ma possono anche fungere da sensore, assorbendo una forza esterna e generando da essa un impulso elettrico. Stiamo anche pensando di usarli per generare energia a livello locale: Il movimento può generare elettricità ovunque".

Il progetto Manufhaptics pone la ricercatrice e il suo collega Patrick Danner di fronte a nuove sfide. "Finora abbiamo prodotto i nostri polimeri con l'aiuto di solventi attraverso la sintesi chimica", spiega Opris. Ora tutto deve funzionare senza solventi: Il piano prevede di impilare fino a 1000 strati sottili dalla stampante 3D, alternando sempre il polimero elettroattivo e uno strato conduttore di corrente.

"Con questo tipo di metodo di produzione è necessario evitare i solventi", spiega Opris. E Patrick Danner spiega la difficoltà successiva: i due diversi inchiostri necessari devono avere esattamente la consistenza giusta per uscire dall'ugello della stampante 3D. "Il nostro partner di progetto Jan Vermant del Politecnico di Zurigo vuole qualcosa con proprietà simili a quelle di una crema per le mani. Deve uscire facilmente dalla stampante e rimanere dimensionalmente stabile sulla base". E poi questa struttura cremosa a strati deve ancora reticolare per formare il polimero giusto.

Dopo una lunga serie di test, Danner ha trovato una formulazione promettente: una crema sufficientemente fluida e allo stesso tempo dimensionalmente stabile, dalla quale è possibile creare polimeri elettroattivi in un unico passaggio. Il suo collega Tazio Pleji del Politecnico di Zurigo, membro del gruppo di ricerca di Jan Vermant, ha lavorato con successo il materiale in diversi strati nella sua stampante 3D, alternando sempre polimero e materiale elettrodico. Non ci sono ancora 1000 strati, ma solo una decina, e il muscolo artificiale prodotto dalla stampante 3D non funziona ancora in modo soddisfacente.

Tuttavia, Opris e Danner sono fiduciosi di riuscire a portare a termine il compito insieme agli specialisti di stampa del Politecnico di Zurigo, forse come primo gruppo di ricerca al mondo. Gli unici concorrenti scientifici in questo campo hanno sede presso l'Università di Harvard, nel Massachusetts.

Fonte: Empa