La Soft Robots è emersa come uno dei sottocampi più promettenti nell'ingegneria moderna, offrendo macchine che possono piegare, allungare, afferrare e interagire con oggetti delicati in modi che i robot rigidi non possono. Da strumenti chirurgici che navigano il corpo umano con un minimo trauma alle pinze che gestiscono cibo e frutta senza danni, le potenziali applicazioni emergenti sono vaste.

Processi di fabbricazione e preoccupazioni ambientali

La produzione di robot morbidi si basa fortemente su polimeri, elastomeri e composti a base di silicone. Mentre questi materiali consentono la flessibilità e la resilienza che definiscono la robotica morbida, la loro produzione comporta notevoli oneri ambientali.

Materiale Sourcing

La maggior parte dei componenti robotici morbidi sono fabbricati da gomme sintetiche, come il polidimetilsiloxane (PDMS), l'Ecoflex e gli elastomeri a base di poliuretano. Questi materiali sono derivati da mangimi petrolchimici, il che significa che la loro produzione è legata direttamente all'estrazione di combustibili fossili. Il processo di perforazione, trasporto e raffinazione di petrolio grezzo rilascia gas serra, composti organici volatili (VOCslica) e altri strippurtants.

La sintesi dei polimeri siliconici comporta reazioni chimiche ad alta intensità energetica, tra cui l'idrolisi dei clorosilani, che genera acido cloridrico come sottoprodotto. Senza rigorosi trattamenti di scarti, questi flussi acidi possono danneggiare gli ecosistemi locali. Analogamente, la produzione di gomme sintetiche richiede spesso plastificanti, stabilizzatori e agenti di collegamento incrociato che possono essere tossico o bioaccumulativo.

Uso chimico ed emissioni

La produzione di robot morbido comporta spesso lo stampaggio, la fusione e la stampa 3D, processi che si basano su solventi, agenti di polimerizzazione e spray di rilascio. Ad esempio, gli elastomeri PDMS richiedono un catalizzatore basato su platino per curare, e il passo di polimerizzazione spesso rilascia piccole quantità di oligomeri siloxani nell'aria.

L’aumento della produzione additiva ha introdotto un’altra preoccupazione: lo spreco di materiali di supporto e la resina non polimerizzata. Nella stampa 3D basata sull’estrusione di poliuretani termoplastici (TPU), le stampe fallite e il materiale in eccesso sono spesso scartate come rifiuti misti-polimeri che sono difficili da riciclare.

Consumo energetico

Oltre ai materiali, l'energia necessaria per modellare e curare componenti robotici morbidi è notevole. I forni sono utilizzati per la gomma siliconica a calore per ore, e le macchine per stampaggio ad iniezione operano ad alte temperature e pressioni. Anche i processi di polimerizzazione della temperatura ambiente richiedono ambienti controllati dal clima per garantire una qualità costante, che aggiunge ai carichi HVAC.

Sfide di smaltimento e riciclaggio

Al termine della loro vita utile, i robot morbidi presentano un problema di smaltimento che gli attuali sistemi di gestione dei rifiuti sono mal equipaggiati per gestire.A differenza dell'elettronica rigida, che hanno stabilito flussi di riciclaggio per metalli e circuiti, i sistemi robotizzati morbidi sono costituiti da un mix aggrovigliato di polimeri, siliconi, e spesso elettronica incorporata o canali fluidi.

Scenari di fine vita

I robot più morbidi oggi entrano in una delle tre vie di smaltimento: discarica, incenerimento o dumping informale. Le discariche sono il destino più comune. Gli elastomeri di silicone non sono biodegradabili; possono persistere per secoli, lentamente frammentando in particelle micro- e nanoplastiche.

Difficoltà di riciclaggio

Le proprietà molto efficaci che rendono i robot morbidi, la resistenza, l'adesione e l'integrazione multimateriale, rendono i loro componenti estremamente difficili da riciclare. La separazione del silicone dal poliuretano termoplastico, la rimozione dei sensori e dei fili incorporati, richiede tecnologie disassemblaggio o di smistamento avanzato che raramente sono economicamente vantaggiose.

Impatto ambientale del deposito

I potenziali disinfettanti dei robot in grado di assorbire i loro effetti in modo da poterli ottenere con un'azione di tipo UV, onde e abrasione, generano particelle che vengono ingerite da organismi marini e terrestri.

Valutazione del ciclo di vita e studi di casi

Diversi studi recenti LCA si sono concentrati su componenti robot morbidi, fornendo un quadro più sfumato rispetto ai semplici confronti di materiale. Ad esempio, un prestampa 2022 dall’Università della California, Berkeley, rispetto a una morbida presa di metallo in PDMS con una presa di metallo convenzionale per un periodo di 10 anni di utilizzo.

Un altro caso di studio del Soft Robotics Toolkit ha esaminato una mano robotica morbida utilizzata in protesi. La mano conteneva più elastomeri, elettronica incorporata e pelle di silicone. I ricercatori hanno scoperto che se la mano fosse composta in una struttura municipale, l'elettronica avrebbe bisogno di essere rimossa, aumentando il tempo di lavoro del 40%, mentre i componenti in silicone sarebbero rimasti intatti anche dopo sei mesi, dimostrando la necessità di processi di industrializzazione.

Strategie per lo sviluppo sostenibile

Riconoscendo le sfide, una crescente comunità di ricercatori e produttori sta sviluppando soluzioni che affrontano ogni fase del ciclo di vita della robotica morbida.Le strategie sottostanti rappresentano le più promettenti vie per ridurre il danno ambientale.

Sviluppo di materiali biodegradabili

I biodegradabili, che si possono eliminare, sono stati utilizzati per la ricerca di una biodegradabile, che consente di ridurre le prestazioni di biodegradabilità.

Produzione ecologica

I processi produttivi vengono ridisegnati anche per ridurre l’impatto ambientale. Le emulsioni in silicone a base acqua eliminano solventi organici, riducono le emissioni di VOC. I sistemi di polimerizzazione Ultraviolet (UV) sostituiscono i forni termici, riducono il consumo energetico. Alcuni laboratori si stanno rivolgendo alla produzione additiva utilizzando filamenti TPU riciclati, provenienti da rifiuti post-consumatori.

Progettazione per smontare e riciclare

La progettazione di robot morbidi con una vita end-of-life può migliorare notevolmente la riciclabilità. I design modulari che si schiudono piuttosto che essere incollati in modo permanente consentono una facile separazione dei materiali diversi. L'utilizzo di adesivi reversibili o di dispositivi meccanici invece di incollaggio chimico consente lo smontaggio. I ricercatori hanno anche proposto robot morbidi “circolari” dove l'elastomero strutturale può essere depolimerizzato nei suoi monomeri e riciclo.

Soluzioni di vita

Per i materiali che non possono ancora essere resi biodegradabili, sono essenziali metodi di smaltimento migliorati. Le strutture di compostaggio industriale dotate di ambienti ad alta temperatura, ad alta luminosità possono accelerare la degradazione di alcune bioplastiche. Il riciclaggio chimico con solvolisi è in fase di scala per settori e siliconi di tipo poliuretanico, anche se rimane in vigore.

Iniziative regolamentari e industriali

Il regolamento REACH dell’Unione Europea limita le sostanze chimiche pericolose nella produzione di silicone, tra cui alcuni comunemente utilizzati nella produzione di silicone. La direttiva Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE), originariamente progettata per l’elettronica, è in corso di aggiornamento per coprire più categorie di sistemi embedded, che potrebbero portare molti dispositivi robot soft sotto i suoi mandati di riciclaggio.

Le università stanno integrando la sostenibilità nei loro curricula. Il corso “Soft Robotics for a Sustainable Planet” di MIT insegna agli studenti a svolgere valutazioni del ciclo di vita durante la fase di progettazione, un’abilità che sta diventando importante come selezione materiale. I progetti collaborativi come il consorzio “SOROFOAM” Horizon 2020 stanno sviluppando robot morbidi a base di schiuma con il 50% di contenuto riciclato, dimostrando che gli obiettivi ambientali possono allineare con le prestazioni tecniche.

Conclusioni

La Soft Robots ha una grande promessa di risolvere problemi pratici in medicina, agricoltura e monitoraggio ambientale. Tuttavia, con questa promessa, si assume la responsabilità di garantire che la tecnologia non crei nuovi problemi ecologici. L'impatto ambientale della produzione e dello smaltimento della robotica morbida è significativo, radicato in materiali derivati dal combustibile fossile, processi ad alta intensità energetica, e la mancanza di progetti riciclabili.