Il robot sottile come un foglio che nuota grazie a muscoli viventi

Quando pensiamo alla frontiera della robotica, l’immagine è ormai quasi obbligata: umanoidi che corrono, saltano, trasportano scatole, mantengono l’equilibrio, ballano, creano coreografie, si impegnano in “sport” e attività e in generale eseguono movimenti sempre più simili ai nostri. Sono le dimostrazioni spettacolari che negli ultimi anni hanno conquistato video e social media, spesso andando virali – come si diceva – anche per gli esiti catastrofici e grotteschi dei poveri ammassi di tecnologia. Ma una parte importante del progresso della robotica si consuma molto più lontano dai riflettori, lavorando su componenti, materiali e principi di movimento apparentemente minuscoli. Un esempio illuminante arriva dal Massachusetts Institute of Technology, dove un gruppo guidato da Ritu Raman, docente di ingegneria meccanica, ha costruito un robot bioibrido sottile circa mezzo millimetro e mosso non da motori tradizionali ma da cellule muscolari viventi. Il lavoro, pubblicato su Advanced Functional Materials, mostra che un singolo strato bidimensionale di fibre muscolari opportunamente organizzate può generare una forza sufficiente a far nuotare e sterzare autonomamente una piccola struttura. Il robot, o «acquabot», ha grosso modo la lunghezza e la larghezza di una gomma da masticare. Il suo scheletro è costituito da una sottilissima pellicola di idrogel divisa in due parti che funzionano come pinne. Sulle superfici vengono fatte crescere cellule di muscolo scheletrico geneticamente modificate in modo da contrarsi quando vengono illuminate. Un impulso luminoso su una pinna fa contrarre quel gruppo muscolare e muove la pinna. Illuminando alternativamente le due parti e modificando la frequenza degli impulsi, i ricercatori riescono a controllare direzione e velocità. Semplice? Insomma. Nuota lentamente ma sa dove andare Montando due di questi sistemi sullo stesso supporto, il MIT ha ottenuto di fatto due muscoli indipendenti. Illuminandone uno si muove una pinna, illuminandoli entrambi si muovono tutte e due. Messo in una grande piastra di Petri piena d'acqua, il robot è stato guidato attraverso un semplice labirinto spostando manualmente la sorgente luminosa. Il minuscolo acquabot seguiva la luce e modificava la traiettoria attraverso il movimento delle pinne. Ha raggiunto una velocità massima di circa quattro lunghezze corporee al minuto in linea retta e una velocità di rotazione fino a 1.200 gradi al minuto. Non è tanto la velocità il punto dell'esperimento. È, come accennato, la capacità di ottenere locomozione controllabile da una quantità estremamente piccola di tessuto biologico. La maggior parte dei robot bioibridi alimentati da muscoli scheletrici utilizza infatti strutture tridimensionali relativamente voluminose, che richiedono milioni di cellule. Secondo gli autori, ridurre l'attuatore a un film bidimensionale consente di controllare molto meglio l'allineamento delle fibre e di utilizzare in maniera più efficiente la forza prodotta dalle cellule. Dai robot spettacolari alla meccanica invisibile È una prospettiva molto diversa da quella suggerita dagli umanoidi che dominano l'immaginario della robotica contemporanea, ancitipati già dalla fantascienza e dal cinema a partire dagli anni Settanta. In quei sistemi muscoli, tendini e articolazioni biologiche vengono sostituiti da motori elettrici, riduttori, cavi, attuatori e sistemi di controllo. Ma il problema ingegneristico di fondo rimane sorprendentemente simile: come produrre una certa forza, trasferirla alla struttura e trasformarla in un movimento preciso consumando il meno possibile. Non significa ovviamente che vedremo per forza i muscoli coltivati in laboratorio montati sui prossimi robot umanoidi. Il lavoro del MIT appartiene alla robotica bioibrida e punta a una strada tecnologica diversa. Mostra però bene quanto le prestazioni finali di una macchina dipendano da un lavoro molto meno appariscente sull'attuazione e sulla geometria dei materiali. E non sembra un filone isolato. Nel 2024 un gruppo dell'Università di Tokyo ha presentato un piccolo robot bioibrido bipede azionato da tessuto muscolare scheletrico coltivato, capace non soltanto di avanzare ma anche di fermarsi e compiere movimenti di rotazione controllati. L’anno dopo lo stesso ambiente di ricerca ha compiuto un salto di scala realizzando una mano bioibrida lunga 18 centimetri, azionata da più tessuti muscolari umani e capace di muovere individualmente le dita. Sono esperimenti diversi ma accomunati dal tentativo di capire come sfruttare la contrazione di tessuti viventi per ottenere movimenti meccanici controllabili. Il piccolo nuotatore del MIT porta questa ricerca in un'altra direzione: meno tessuto e una struttura molto più sottile. Gli autori sottolineano che il progetto attuale è volutamente elementare perché l'obiettivo era anzitutto dimostrare che un film di cellule muscolari potesse produrre forza sufficiente per la locomozione. Il prossimo passo sarà modificare la forma del corpo per aumentare la velocità. Le applicazioni indicate dal gruppo restano per ora prospettive, è evidente. Raman cita in particolare il monitoraggio di ambienti acquatici e, più in generale, compiti delicati in luoghi troppo fragili o imprevedibili per l'hardware convenzionale. Il vantaggio teorico del tessuto vivente è peculiare: è morbido, reagisce all'ambiente e possiede capacità di autoriparazione che un motore tradizionale non ha. Ed è forse proprio questa la parte più interessante del piccolo biorobot che nuota in una piastra di Petri. Mentre la robotica più visibile cerca di costruire macchine che assomiglino sempre di più a noi, nei laboratori si sperimenta qualcosa di ancora più radicale: non limitarsi a imitare i movimenti degli esseri viventi ma utilizzare direttamente alcuni dei loro meccanismi biologici di fondo per costruire le macchine. Il problema non era far contrarre il muscolo L'aspetto interessante dell'esperimento è proprio ciò che non si vede. Il gruppo del MIT aveva già dimostrato di poter coltivare cellule muscolari in strati estremamente sottili e organizzarle in geometrie precise. In un precedente esperimento aveva per esempio costruito un disco ispirato all'iride dell'occhio, nel quale le cellule potevano produrre movimenti in direzioni differenti. Il limite era la scala: gli spostamenti erano dell'ordine di appena 100 micrometri. Abbastanza per dimostrare il principio, troppo poco per muovere davvero un robot. Il nuovo studio si concentra quindi su un problema molto concreto: come ottenere più movimento e più forza dalla stessa quantità di tessuto muscolare. I ricercatori hanno modificato sistematicamente la composizione, la rigidità e la microstruttura del supporto su cui crescono le cellule. Ed è qui che l'esperimento si è trasformato in un piccolo trattato di ingegneria robotica. Le cellule funzionavano meglio quando venivano coltivate all'interno di microsolchi dalla sezione più squadrata, perché tendevano ad allinearsi maggiormente. E fibre più allineate significava di conseguenza contrazioni più coordinate e quindi una maggiore capacità di produrre forza. Come materiale di supporto il gruppo è passato dalla fibrina, troppo morbida e incline a deformarsi, alla GelMA, o gelatin methacrylate, un idrogel molto utilizzato nell'ingegneria dei tessuti. Anche lo spessore conta. Dopo avere sperimentato diverse configurazioni gli ingegneri hanno individuato in una pellicola di circa mezzo millimetro un compromesso efficace: abbastanza rigida da sostenere le cellule ma sufficientemente leggera perché la loro contrazione riesca a deformarla senza provocarne il distacco, in un equilibrio sempre molto delicato. Infine hanno sottoposto il tessuto a una sorta di allenamento, stimolandolo ripetutamente con impulsi luminosi. Il risultato è un attuatore biologico molto più efficiente rispetto alle precedenti architetture bidimensionali. Nel paper i ricercatori riportano una forza dieci volte superiore rispetto ai precedenti attuatori bidimensionali di muscolo scheletrico e un'efficienza, calcolata come forza prodotta per volume di muscolo, venti volte superiore rispetto alle strutture muscolari tridimensionali utilizzate abitualmente nei robot bioibridi. Anche la durata dell'attuazione senza collegamenti fisici passa da meno di dieci minuti a oltre 30 giorni.

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Simone Cosimi