Per muovere microrobot e attuatori

miniaturizzati, i martinetti idraulici

e pneumatici, troppo

ingombranti, potrebbero

presto lasciare il posto

a nuovi materiali dotati

di caratteristiche

contrattili

di Philippe Auroy

IN SINTESI

• La costruzione di manipolatori microscopici, valvole miniaturizzate e bracci artificialiin grado di spostare oggetti della taglia di una cellula senza danneggiarli richiede l'usodi materiali «intelligenti», in grado di adattarsi, contrarsi ed essere molto resistenti.• Come i muscoli naturali, anche questi nuovi materiali, che possiamo considerare verie propri muscoli artificiali, hanno bisogno di energia per contrarsi o allungarsi. Nel casodei gel o dei polimeri conduttori, l'energia viene fornita sotto forma chimica o elettrica.• Gli elastomeri nematici sono anch'essi materiali interessanti peri muscoli artificiali.Sono in pratica filamenti elastici in cui vengono inserite piccole molecole a forma dibastoncelli che possono passare da uno stato disordinato a uno ordinato - e quindiallungarsi o contrarsi - a seconda della temperatura o della luce.• Le possibili applicazioni di questi materiali sono numerose sia in campo medico,come sonde o manipolatori a livello microscopico, sia nell'industria aerospaziale.

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ampionato del mondo di sollevamento pesi, novembre 2001: i muscoli di Saeed Salem Jaber si contraggono e in po-

chi secondi sollevano di slancio 250 chilogrammi, facendolo diventare l'uomo più forte del mondo. Ma l'orgoglio pro-

curatogli dalla vittoria svanisce nell'automobile che lo porta all'aeroporto alla vista di una gru da cantiere che solleva

un blocco di cemento di diverse tonnellate. I muscoli degli esseri umani fanno una triste figura al confronto delle mac-

chine! Ma, quando vogliamo costruire dispositivi miniaturizzati, i congegni meccanici non sono i più adatti. Per que-

ste applicazioni i fisici stanno mettendo a punto materiali «intelligenti», in grado di adattarsi; questi materiali, stimo-

lati, si deformano creando forze in dispositivi piccolissimi, detti attuatori, nei quali leve e martinetti idraulici sarebbe-

ro troppo ingombranti. I materiali intelligenti sono destinati alla messa a punto di manipolatori microscopici, di valvole miniaturizzate

e di bracci artificiali in grado di spostare oggetti della taglia di una cellula, se non proprio una cellula, senza danneggiarli.

I materiali più studiati per queste appli-cazioni sono le ceramiche piezoelettriche,le leghe che conservano memoria di for-ma e i polimeri. La competizione tra questimateriali per eguagliare, e magari supera-re, le prestazioni dei muscoli naturali è ac-cesissima. Le prestazioni ottenute sono daprimato, ma tutti i concorrenti soffiono diun grave difetto: l'eccessiva fragilità.

Spesso gli attuatori costruiti con mate-riali adattativi superano i muscoli naturaliper una caratteristica, come la rapidità,l'ampiezza della deformazione, l'intensitàdella forza trasmessa o la robustezza, mail miglioramento di una di esse va a disca-pito di un'altra. Un esempio è quello delleceramiche piezoelettriche. Sono impiegateper la messa punto degli apparecchi foto-grafici o per pilotare la testina di lettura diun disco rigido e si deformano facilmentese esposte a un campo elettrico, ma l'am-piezza massima della deformazione restadell'ordine dell'I per cento. A loro volta, leleghe con memoria di forma resistono asforzi enormi e riescono a tenere unite dueparti metalliche meglio di qualsiasi salda-tura, ma perdono le loro caratteristichedopo diversi cicli di deformazione.

I materiali polimerici, costituiti da lun-ghe catene di molecole legate le une allealtre da più legami chimici, sopportanograndi deformazioni e sono robustissimi.Hanno anche il pregio di deformarsi rapi-damente e di essere molto malleabili, tan-to da essere considerati gli elementi piùpromettenti per la costruzione di attuatoriminiaturizzati affidabili. I loro meccani-smi di funzionamento ricordano tanto davicino quelli dei muscoli naturali da farnedegli ottimi «muscoli artificiali». Un termi-ne suggestivo, ma improprio, perché loscopo non è quello di sostituire un musco-lo naturale con uno di questi dispositivi,ma di ottenere movimenti precisi, ripro-ducibili e miniaturizzati.

Materiali a immaginee somiglianza dei muscoli

Allo stesso modo dei muscoli naturali,che utilizzano per il loro funzionamentol'energia chimica contenuta nelle mole-cole di adenosintrifosfato (ATP), i musco-

li artificiali hanno bisogno di energia percontrarsi o allungarsi. Nel caso dei gel odei polimeri conduttori, l'energia è fornitasotto forma chimica o elettrica. Un terzotipo di muscoli artificiali, gli elastomerinematici, si deformano invece a secondadella temperatura o della luce. A differen-za dei primi due materiali, gli elastomerinon hanno bisogno di un ambiente liqui-do per funzionare. Non solo: la rapiditàdelle loro deformazioni è notevolmentesuperiore a quella degli altri materiali.

Nel campo della ricerca sui polimericon un comportamento analogo a quellodi un muscolo naturale, in grado cioè dicontrarsi in seguito a un apporto di ener-gia, i primi passi vennero compiuti daWerner Kuhn, dell'Università di Basilea,insieme con Ephraim Katchalski del Weiz-mann Institute di Rehovot, in Israele (si

veda la figura a pagina 76-77). Negli an-ni quaranta dimostrarono che un nastrodi poliammide acrilico (CH2=CH-COOH),,immerso in una soluzione lievemente sali-na, si allunga, facendo affondare un corpoa esso attaccato quando si introduce nellasoluzione idrossido di sodio (NaOH), men-tre lo solleva quando vi si aggiunge acidocloridrico (HC1). L'ampiezza dello sposta-mento raggiunge il 30 per cento della lun-ghezza del nastro. Le catene del polimerosono collegate da molecole di polialcole,che conferiscono loro un'organizzazione arete. In questa situazione il polimero si

trova in forma di gel, perché l'insieme ègonfio d'acqua. I gruppi acidi lungo le ca-tene restano neutri quando la soluzione èacida, perché in presenza di ioni H+ in ec-cesso i gruppi -COOH non tendono a dis-sociarsi. In presenza di NaOH, e quindi inambiente basico, i gruppi -COOH si disso-ciano in -000- e H+, in modo da caricarsinegativamente via via che si aggiungeNaOH. Le cariche negative tendono quindia respingersi, le catene si allungano e ilnastro si allunga. Nel gel la concentrazio-ne di ioni sodio di carica positiva, attiratidalle cariche negative dei gruppi acidi io-nizzati, è superiore a quella della soluzio-ne. Questo squilibrio amplifica il rigonfia-mento, perché l'acqua penetra nel gel perabbassare la concentrazione locale di ionidi sodio. In definitiva, i due fenomeni sisommano e le catene si allungano.

Gel gonfiabili

Quando si aggiunge un acido alla solu-zione, i gruppi acidi ritornano neutri, lecatene si accorciano e il gel si ritira, espel-lendo le molecole d'acqua. C'è però un in-conveniente: a ogni ciclo gli ioni sodio edoro si combinano per formare cloruro disodio, che «avvelena» il gel. Le cariche de-gli ioni cloro e sodio, sempre più numero-se nelle catene, riducono la repulsione e-lettrostatica dei gruppi acidi responsabiledella deformazione delle catene. A poco apoco le catene di polimeri non reagiscono

più alle variazioni di acidità finché, dopocirca ima decina di cicli di allungamento eaccorciamento, il gel smette di funzionare.

Dopo questi primi lavori, si è messo apunto un nuovo metodo basato sulloscambio di ioni tra l'interno e l'esterno delgel per ridurne la degenerazione. Si utiliz-zano ioni calcio bivalenti che allontananoil sodio e obbligano il gel a contrarsi sta-bilendo legami tra le diverse catene di po-limeri. Incorporando gruppi non acidi nel-le catene polimeriche si sono anche otte-nuti gel sensibili ad altri parametri, comela composizione chimica o la temperatura.Le interazioni elementari differiscono, mail principio è lo stesso: le catene si defor-mano e lasciano penetrare l'acqua nel gel,il cui volume può aumentare fino a 100volte prima di ritornare al volume iniziale

Questi gel hanno però tre difetti. Primadi tutto, il loro cambiamento di volume ri-chiede una riserva d'acqua. In secondoluogo sono fragili e resistono male ai ciclidi contrazione ed espansione, durante iquali appare inevitabilmente qualche cre-pa. All'inizio dell'assorbimento, infatti,l'acqua penetra dall'esterno idratando glistrati superficiali, ma lasciando più seccol'interno. Questa deformazione eterogeneagenera tensioni meccaniche che possonoprovocare crepe e rotture. Infine, come senon bastasse, gli scambi d'acqua si produ-cono per diffusione, un meccanismo di-

LE MACCHINE COSTRUITE

DALL'UOMO per assolvere a

compiti precisi utilizzano

meccanismi differenti a

seconda dell'importanza del

lavoro. I macchinari da

cantiere sfruttano

pistoni

idraulici o

pneumatici che

non sono però adattia meccanismi molto più

piccoli. Per (in basso)

essere in grado di spostare

senza danni oggetti come

una cellula (in rosa)

necessitano di nuovi

materiali dotati delle stesse

proprietà dei muscoli

naturali, che sono

contemporaneamente

contrattili e resistenti.

sordinato in cui le molecole non si sposta-no in linea retta e che rallenta considere-volmente le deformazioni. Tanto che ungel di diametro superiore a un millimetroimpiega diversi minuti per gonfiarsi.

Malgrado gli handicap, questi gel resta-no molto interessanti, perché sono bio-compatibili e si prestano alla miniaturiz-zazione: vengono per esempio impiegatiper il trasporto di molecole terapeuticheche possono essere ricoperte da un invo-lucro di gel in grado di proteggerle finchénon arrivano vicino a un organo bersa-glio, come il fegato, dove liberano il lorocontenuto sotto l'azione di uno stimolochimico Riducendo le dimensioni di que-sti gel, gli attuatori diventano più rapidi epiù robusti. David Beebe e colleghi, del-l'Università del Wisconsin, hanno messoa frutto queste proprietà. Nel 2000 hannocostruito una valvola microscopica chereagisce all'acidità di un liquido circolan-te in canali di un millimetro di diametro.All'imboccatura hanno posto gel poliaci-do acrilico, fissato da alcune sporgenze. Ipezzetti di gel si gonfiano al diminuiredell'acidità della soluzione fino a ostruireil canale. I ricercatori hanno scelto di fra-zionare il gel in diversi punti perché ununico pezzo di circa un millimetro di dia-metro impiega più di due minuti perostruire il canale, mentre tre frammenti dinon più di 0,3 millimetri di diametro di-

sposti a fianco a fianco impiegano solootto secondi. Questi lavori sono la primatappa verso la costruzione di veri e propriprocessori biochimici in miniatura desti-nati a non occupare più di un centimetroquadrato di superficie. A seconda dell'aci-dità, o di un altro parametro chimico,queste «valvole» potranno aprirsi o chiu-dersi per costituire interruttori o memoriechimiche a funzionamento autonomo.

I polimeri di cui abbiamo parlato reagi-scono all'ambiente chimico Altri possonoinvece rispondere a un campo elettrico, inquanto, in un ambiente liquido come unasoluzione salina, si deformano grazie allamigrazione delle cariche elettriche. I poli-meri elettroattivi reagiscono anche a po-chi volt e sono buoni conduttori perchécontengono ioni come il sodio. La loro ro-bustezza è invece piuttosto scarsa e qual-siasi attuatore sfruttasse questi gel sarebbemolto fragile. La soluzione è lo sviluppo diun materiale più rigido, e quindi menomalleabile, ma più resistente agli sforzi. Aquesti criteri rispondono materiali come ilNafion, inventato nel 1962 da alcuni in-gegneri della Dupont de Nemours, e i poli-meri conduttori. Se il primo è un materia-le più stabile e più facile da sintetizzare,gli altri sono più adatti ai dispositivi mi-niaturizzati, perché se ne possono produr-re pellicole molto sottili. Ma come funzio-nano questi polimeri conduttori?

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LE SCIENZE 407 /luglio 2002

www.lescienze.it 75

SUPPORTOIN

PLASTICO MATERIALEAO L E POLIMERO

CONDUTTORE

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ESPANSIONE

USCITA DELL'ACQUA

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CONTRAZIONE

MUSCOLIDISTESI

MUSCOLICONTRATTI

SUPPORTO

SOLUZIONE

NASTRO DI GEL

PESO

CATENADI POLIMERI

GRUPPO NEUTRO

GRUPPONEGATIVO

POLIALCOLE

GEL DI POLIMERO

POLIMERO CONDUTTORE

POLIMERO NEMATICO

Polimeri elettroattivi

Applicando una corrente elettrica a unapellicola di polimeri conduttori nel sensodello spessore, si creano cariche positiveche si respingono. Per compensare questecariche e la repulsione elettrostatica, l'ac-qua e gli ioni negativi in essa contenutipenetrano nel materiale e lo fanno gonfia-re. Fissando su un supporto di plastica unfilm di polimero conduttore spesso circa10 micrometri, si ottiene una lamina adoppio strato che si torce quando è sotto-posta a una corrente di circa 30 milliam-pere. La faccia del film conduttore a con-tatto con la soluzione salina si gonfia,mentre l'altra non può farlo perché è fis-sata al supporto di plastica. Quando sicambia il senso della corrente, la laminaritorna nella posizione iniziale, per poideformarsi nell'altro senso.

Nel 2000 Edwin Jager dell'Università diLinktiping, in Svezia, ha realizzato unbraccio articolato lungo 0,7 millimetri ecostituito da segmenti rigidi separati daparti flessibili (si veda la figura al centro apagina 78). Per analogia con un braccioumano, è costituito da un gomito, da unavambraccio, da un polso e da una manodotata di tre dita. L'alternarsi di parti fissee mobili determina i possibili movimenti.11 braccio artificiale è costituito da un poli-mero, il polipirrolo, depositato su lamelled'oro che fungono da elettrodi, mentre lacorrente viene condotta dalla soluzionesalina in cui è immerso il dispositivo. L'o-ro e il polimero formano un doppio stratoflessibile, ricoperto qua e là da placche dibenzociclobutene che funzionano comeparti di uno «scheletro» rigido. Ogni seg-mento è alimentato da elettrodi diversi co-mandati in maniera indipendente.

In prova, il braccio artificiale ha affer-rato una piccola biglia di vetro del diame-tro di un decimo di millimetro e l'ha spo-stata per una distanza di 250 micrometri.La precisione del dispositivo, che permettespostamenti di qualche micrometro, ne fauno strumento diagnostico molto sofisti-cato, in grado di muovere singole celluleall'interno del plasma sanguigno o dell'u-rina per eseguire analisi molto dettagliate.Le applicazioni sarebbero numerosissimeanche in chirurgia, dove lo si potrebbeutilizzare per interventi minimamente in-vasivi. Per non parlare di altri interventimedici in cui il braccio miniaturizzato po-trebbe assemblare elementi microscopici.

Gli elastomeri nematici sono anch'essimateriali interessanti per i muscoli artifi-ciali. Si tratta di filamenti elastici in cuivengono inserite piccole molecole a for-ma di bastoncelli. Da sole, queste moleco-le formano un liquido nematico che puòpresentarsi in due stati: uno disordinatoin cui le molecole sono orientate in tutte

le direzioni, e uno particolarmente ordina-to, in cui i bastoncelli sono paralleli, marestano mobili gli uni rispetto agli altri.

Alle alte temperature domina lo statodisordinato, perché l'agitazione termica hail sopravvento sull'attrazione tra le mole-cole. Lo stato ordinato appare al di sottodi una temperatura critica propria di cia-scun composto, quando le attrazioni mo-lecolari sono dominanti sulle altre forze.Questo comportamento, a metà tra quellodi un liquido e quello di un cristallo, deri-va dalla struttura delle molecole: esse so-no costituite da una porzione rigida che,da sola, cristallizzerebbe, prolungata allesue estremità da piccole catene flessibiliche conferiscono alle molecole proprietàanaloghe a quelle dei liquidi. La parte rigi-da è composta da anelli aromatici le cuirotazioni sono impedite dalla presenza digruppi chimici molto ingombranti.

Muscoli a cristalli liquidi

Una volta incorporati i bastoncelli nellecatene polimerizzate di un elastomero, siha un materiale elastico che esiste in duestati a seconda della temperatura. Nellostato ordinato, l'elastomero si allunga indirezione dell'allineamento. Le prestazionidegli elastomeri dipendono dal modo incui le molecole nematiche sono legate allecatene polimeriche da molecole spaziatri-ci. Quando queste sono troppo lunghe,l'ampiezza della deformazione è ridotta,poiché l'orientamento della molecola nonè interamente trasmesso dalla molecolaspaziatrice, che resta flessibile. Al contra-rio, quando le molecole nematiche sonointegrate alle catene di polimeri, l'ampiez-za della deformazione diventa molto piùconsistente. Per funzionare gli elastomerinon richiedono né la presenza di un cir-cuito elettrico, né un mezzo liquido: è solola temperatura a condizionarne la forma.

Altri tipi di molecole nematiche rispon-dono a stimoli diversi. Heino Finkelmann,chimico all'Università di Friburgo, ha fab-bricato un elastomero nematico capace dipassare da uno stato all'altro per effettodella luce. I segmenti rigidi di queste mo-lecole erano costituiti da azobenzene, incui due anelli aromatici sono separati dadue atomi di azoto. Queste molecole cam-biano forma a seconda dell'illuminazione.Nello stato disordinato le molecole si di-spongono secondo una conformazione cis(i due anelli aromatici sono dalla stessaparte della «cerniera» costituita dagli ato-mi di azoto). Esposte a luce ultravioletta,le molecole passano a una configurazionetrans (le due molecole si trovano da partiopposte della «cerniera») che fa allungarel'elastomero. Perché la lunghezza del ma-teriale raddoppi occorrono decine di mi-nuti di illuminazione. Finkelmann ha poi

I POLIMERI SONO I MATERIALI ADATTATIVI che

hanno le migliori prestazioni. I polimeri nematici

(a) sono materiali elastici in cui molecole

nematiche (costituite da una parte centrale

rigida e da estremità flessibili) sono integrate

alla catena polimerica. Queste lunghe molecole,

collegate da ponti molecolari (in verde),

tendono ad allinearsi per reazione a uno

stimolo, come per esempio la luce. Questo

orientamento comune è trasmesso alle

molecole del polimero che si allunga nel senso

dell'allineamento delle molecole nematiche. Un

gel polimerico (b) immerso in una soluzione fa

scendere o risalire un peso a seconda

dell'acidità della soluzione. Un gel di questo tipo

è composto da catene molecolari (in blu)

collegate a molecole di polialcole (in verde). I

gruppi —COOH (in rosa) restano neutri se la

soluzione è acida, ma si dissociano in presenza

di idrossido di sodio. In questo caso le cariche

negative si respingono e attirano ioni sodio

positivi (freccia verde) dalla soluzione, che si

concentrano all'interno del gel. L'acqua (freccia

blu) penetra nel gel per compensare questosquilibrio e fa gonfiare il gel. In soluzione, i

polimeri conduttori (c) funzionano in modo

analogo, ma in questo caso le cariche sono

create da una corrente elettrica. Una lamina a

due strati composta da un supporto in

materiale plastico (in rosa) sul quale è steso un

polimero conduttore (in blu e giallo) si piega in

diverse direzioni a seconda del senso della

corrente elettrica a cui viene sottoposto. Unlato del polimero si gonfia o si contrae, mentre

l'altro è trattenuto dal supporto in materiale

plastico, la cui lunghezza non può variare.

ALLUNGAMENTO

76 LE SCIENZE 40?! luglio 2002

www.lescienze.it 7?

CODA

M

AVAMBRACCIO

BIBLIOGRAFIA

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IL BRACCIO ARTIFICIALE DIO,? MILLIMETRI DI LUNGHEZZA funziona in soluzione salina. Lo schema in

alto mostra che è costituito da segmenti rigidi (in verde) articolati con polimeri conduttori (in blu)fissati su un supporto plastico mediante placche d'oro (in giallo), che fungono da elettrodi. L'insieme

è composto da un gomito, un avambraccio, un polso e una mano con tre dita. Il dispositivo (qui sopra)può spostare una biglia di vetro del diametro di 0,1 millimetri per qualche decina di micrometri.

BLOCCHETTI DI GEL POLIMERICO (in blu e giallo) di 0,3 millimetri di diametro sono disposti

all'imboccatura di un canale di un millimetro di larghezza. Una soluzione acida (in azzurro,a sinistra) circola liberamente, perché il gel è contratto. Quando invece la soluzione è basica

(in rosa, a destra), i blocchetti si gonfiano e ostruiscono il canale. I tre blocchetti ostruiscono

il canale in otto secondi, mentre a un unico blocco del diametro di un millimetro occorrerebbero

più di dieci minuti.

L'AUTORE

PHILIPPE AUROY lavora come fisico-chi-

mico all'Istituto Curie di Parigi.

sviluppato un elastomero nematico sensi-bile alla temperatura, che può aumentarela propria lunghezza di cinque volte.

Mettere a punto questi dispositivi è peròlungo e complesso, perché occorrono varitrattamenti meccanici per dare alle mole-cole un primo orientamento all'interno delmateriale. Presso l'Istituto Curie cerchiamodi fabbricare questi materiali con procedi-menti più semplici e di migliorarne le pre-stazioni privilegiando le proprietà di au-toassemblaggio, grazie alle quali gli ela-stomeri nematici si organizzano solo almomento dell'evaporazione di un solventesenza ricorrere alle tecniche di Finkel-mann. Pierre-Gilles de Gennes, del Collègede France, ha proposto di fabbricare ela-stomeri costituiti da un'alternanza di lami-ne parallele. Quelle fatte di elastomeri ne-matici effettuerebbero la deformazione(sarebbero la parte attiva del muscolo);quelle costituite da elastomeri tradizionaligarantirebbero le proprietà meccaniche.

Nella ricerca di attuatori compatti, rapi-di, robusti e ampiamente deformabili siesplorano varie strade. Al momento i ma-teriali e i dispositivi non resistono abba-stanza alla ripetizione dei cicli di contra-zione e di allungamento, ma se si risolves-se questa difficoltà troverebbero moltissi-me applicazioni. Presso l'Istituto naziona-le delle ricerche di Osaka, Keisuke Oguro ela sua équipe hanno costruito una minu-scola sonda piotata da meccanismi in Na-fion, dotata alla sua estremità di uno stru-mento chirurgico miniaturizzato. Anchel'industria aerospaziale potrà trarre van-taggio dal bassissimo peso di questi attua-tori. L'obiettivo non è di sostituire un mu-scolo naturale con uno di questi dispositi-vi, ma piuttosto di ispirarsi alle sue pro-prietà per sviluppare un apparato con ca-ratteristiche analoghe.

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LE SCIENZE 407 / luglio 2002