Una nuova generazione di guanti VR che renderà tangibili i mondi virtuali. Illustrazione: Herbert Shea, EPFL (2021)
In collaborazione con i colleghi dell’EPFL e del Politecnico di Zurigo, un team dell’Empa sta sviluppando una nuova generazione di guanti VR che renderanno tangibili i mondi virtuali. Il guanto sarà adattato al singolo utente e potrà essere fabbricato in modo ampiamente automatico con un processo di stampa 3D.
A volte la ricerca ha bisogno di un sacrificio. Patrick Danner, ricercatore dell’Empa, ne ha appena realizzato uno e lo ha filmato. "Quando ho applicato una buona dose di 2000 volt al campione, ha preso fuoco", dice con umorismo nel debriefing. L’incidente è chiaramente visibile nel video del suo cellulare: prima il fumo, poi le fiamme fuoriescono dal polimero creato dall’esperimento. "Con un po’ di fortuna, si è riusciti a salvarne un pezzo", dice Dorina Opris, responsabile del gruppo di ricerca "Materiali polimerici funzionali". Una prova è importante per imparare dal risultato e trarre conclusioni. Con la loro ricerca sui polimeri elettroattivi, Dorina Opris e Patrick Danner fanno parte di un progetto su larga scala chiamato "Manufhaptics". L’obiettivo di questo progetto quadriennale, guidato da Herbert Shea del Soft Transducers Lab dell’EPFL, è un guanto che renda tangibili i mondi virtuali. Tutti i componenti del guanto, che esercitano varie forze sulla superficie della mano, saranno prodotti da una stampante 3D. Ciò comporta la ricerca di nuovi materiali, tenendo conto fin dall’inizio del metodo di produzione.
Per far sì che le superfici virtuali sembrino reali e che gli oggetti tangibili abbiano le giuste dimensioni, i team di ricerca dell’EPFL, del Politecnico di Zurigo e dell’Empa vogliono integrare nel guanto tre diversi tipi di attuatori: Sotto le dita, i bottoni possono crescere per riprodurre una specifica texture di una superficie. Nella zona delle articolazioni delle dita sono montati freni elettrostatici che irrigidiscono il guanto e bloccano le articolazioni. In questo modo è possibile simulare oggetti più grandi e solidi che oppongono resistenza quando vengono toccati. Il terzo tipo di attuatore che completa l’esperienza virtuale è chiamato attuatore ad elastomero dielettrico (DEA). Questi DEA sono utilizzati sul dorso della mano; stringono la pelle esterna del guanto in modo che aderisca perfettamente in tutti i punti. Durante l’esperienza VR, possono anche esercitare una pressione sulla superficie della mano. Le DEA sono oggetto dell’Empa. Dorina Opris, a capo del gruppo di ricerca, ha anni di esperienza con questi polimeri elettroattivi. "Reagiscono ai campi elettrici e si contraggono come un muscolo", spiega l’autrice. "Ma possono anche essere utilizzati come sensori, assorbendo una forza esterna e generando un impulso elettrico da essa. Stiamo anche pensando di utilizzarli per raccogliere energia a livello locale: Dal movimento, l’elettricità può quindi essere generata ovunque".
Il polimero elettroattivo desiderato deve avere una consistenza simile a quella di una crema per le mani, in modo che i muscoli artificiali possano essere prodotti automaticamente in una stampante 3D. Immagine: Empa Il progetto Manufhaptics presenta nuove sfide per Dorina Opris e il suo collega Patrick Danner. Finora abbiamo prodotto i nostri polimeri utilizzando solventi attraverso la sintesi chimica", spiega Dorina Opris. Ora tutto deve funzionare senza solventi: Il piano prevede di stratificare fino a 1000 strati sottili dalla stampante 3D, alternando sempre il polimero elettroattivo con uno strato conduttore di corrente. "In un processo di questo tipo è necessario evitare i solventi", spiega Dorina Opris. Patrick Danner spiega la seguente difficoltà: I due inchiostri necessari per realizzare gli strati devono avere esattamente la giusta consistenza per poter fluire 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 stratificata "cremosa" deve ancora essere reticolata con un polimero appropriato.
Attuatori elettrostatici amplificati idraulicamente, di dimensioni millimetriche, danno la sensazione del tatto e della consistenza. Attuatori elettrostatici con frizioni ad alta resistenza, che possono bloccare le articolazioni delle dita e dare agli oggetti virtuali una sensazione di solidità. Attuatori dielettrici-elastomeri multistrato per il dimensionamento attivo dei guanti e la compressione locale. Illustrazione: Herbert Shea, EPFL (2021) Dopo una lunga serie di test, Patrick Danner ha trovato una formulazione promettente: una crema sufficientemente liquida 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 team di Jan Vermont, è riuscito a lavorare il materiale in diversi strati nella sua stampante 3D, alternando sempre il polimero e il materiale dell’elettrodo. Non ci sono ancora 1.000 strati, ma solo una decina, e il muscolo artificiale della stampante 3D non funziona ancora in modo soddisfacente.
Ma Dorina Opris e Patrick Danner sono fiduciosi di riuscire a superare il compito con gli specialisti della stampa del Politecnico di Zurigo, forse come primo team al mondo. Gli unici concorrenti scientifici in questo campo hanno sede presso la rinomata Università di Harvard, nel Massachusetts. "Conosco i colleghi delle conferenze", dice Dorina Opris. "Osserviamo molto attentamente quello che fanno. E certamente osservano anche il nostro lavoro".
