Accoppiamento tra morphing programmabile della forma e propulsione alimentata da solvente in un composito morbido bicontinuo

Materiali morbidi che si muovono e cambiano forma da soli

Immaginate una striscia galleggiante di materiale gommoso che può arrotolarsi e srotolarsi come un cono di pino in una giornata piovosa, per poi scivolare attraverso uno specchio d’acqua proprio come fanno alcuni scarabei, alimentata unicamente da un po’ di combustibile liquido. Questo studio presenta proprio un materiale soffice e intelligente di questo tipo. Può sia riorganizzare la propria forma sia propellersi sull’acqua senza fili, motori o elettronica, suggerendo possibili futuri robot morbidi, rivestimenti e piccoli strumenti chimici che rispondono in modo intelligente all’ambiente.

Prendendo esempio da coni di pino e scarabei che camminano sull’acqua

In natura, i sistemi viventi spesso usano due tipi molto diversi di movimento. Alcuni, come i coni di pino o le foglie sensibili, cambiano forma sul posto quando l’umidità, il contatto o la temperatura variano. Altri, come certi scarabei e batteri, si spostano realmente da un punto all’altro, talvolta rilasciando molecole tensioattive che li trascinano sulla superficie dell’acqua. Gli ingegneri hanno ricreato aspetti di ciascun comportamento con materiali sintetici, ma raramente entrambi su un’unica piattaforma. I tipici elastomeri a cristalli liquidi possono piegarsi e contrarsi con il calore o la luce ma non interagiscono bene con l’acqua né generano propulsione. Gli idrogel, al contrario, amano l’acqua e si rigonfiano fortemente, tuttavia di solito si espandono in tutte le direzioni e mancano della direzionalità intrinseca necessaria per guidare il moto o generare forze nette.

Costruire un composito morbido a doppia rete

Per colmare questa lacuna, i ricercatori hanno progettato un materiale ibrido chiamato BALCEH, abbreviazione di composito bicontinuo elastomero a cristalli liquidi–idrogel. Al suo interno, BALCEH fonde due reti continue ma intrecciate: un idrogel idrofilo e un elastomero a cristalli liquidi idrofobo. L’idrogel forma un’impalcatura porosa che può assorbire molti liquidi diversi, mentre l’elastomero è accuratamente stirato e fissato in una direzione preferita in modo che i suoi elementi interni siano allineati. Questa architettura accoppiata consente allo stesso pezzo di materiale sia un forte rigonfiamento sia elasticità direzionale. Misure effettuate con microscopie, luce infrarossa, scattering Raman e scattering ai raggi X confermano che le due reti sono profondamente interpenetrate, che i segmenti a cristalli liquidi sono ben allineati e che il composito è meccanicamente resistente e flessibile pur essendo chiaramente più robusto nella direzione di allineamento.

Superfici commutabili e cambiamenti di forma reversibili

Le reti intrecciate conferiscono a BALCEH un comportamento «cangiante» rispetto all’ambiente. Poiché l’idrogel preferisce l’acqua e l’elastomero preferisce l’olio, la superficie esposta può capovolgersi a seconda del liquido presente. Sott’acqua, l’idrogel domina e rende la superficie estremamente repellente alle gocce d’olio; sotto olio, l’elastomero prevale e la superficie respinge invece l’acqua. Questa bagnabilità adattativa, con una repellenza estrema verso olio o acqua a seconda del contesto, potrebbe essere utile per filtri intelligenti e rivestimenti antifouling. Allo stesso tempo, le due reti si tirano reciprocamente dall’interno. Quando BALCEH assorbe acqua o altri solventi polari, l’idrogel tende a rigonfiarsi, specialmente nella direzione perpendicolare all’elastomero allineato, mentre l’elastomero si oppone e immagazzina energia elastica. Il risultato è una curvatura o distensione controllata che si ripete per molti cicli: le strisce possono srotolarsi in liquido e riavvolgersi durante l’essiccazione, torcersi con l’umidità o accorciarsi e allungarsi con variazioni di temperatura, il tutto senza perdere le forme preprogrammato.

Scivolamento alimentato da solvente e percorsi programmabili

Oltre a piegarsi sul posto, BALCEH può anche agire come un piccolo motore autonomo. Quando è saturato con un solvente a bassa tensione superficiale come l’etanolo e posto all’interfaccia aria–acqua, una striscia di BALCEH galleggia e perde lentamente solvente nell’acqua circostante. A causa della struttura interna anisotropa, questo rilascio è asimmetrico, creando uno squilibrio di tensione superficiale che trascina la striscia—un effetto noto come propulsione Marangoni. Diversamente dai semplici idrogel, che affondano rapidamente una volta assorbita l’acqua, la componente idrofoba del composito ne mantiene la galleggiabilità, permettendo un movimento che può durare decine di minuti. Variando il tipo di «carburante» solvente, la sua volatilità e la sua miscibilità con l’acqua, il gruppo di ricerca regola la durata e l’intensità del moto della striscia. L’aggancio di uno o più pezzi di BALCEH a semplici forme stampate in 3D le trasforma in nuotatori morbidi le cui traiettorie—circolari, lineari, rotazionali o a spirale verso l’esterno—possono essere programmate tramite la geometria, la scelta del combustibile e persino aggiunte temporizzate di altri liquidi nella vasca.

Da robot galleggianti a separazione intelligente e chimica

Gli stessi principi di base abilitano altre funzioni. Gli autori dimostrano che tessuti rivestiti con BALCEH possono separare olio e acqua sotto la sola azione della gravità, perché ciascun lato del composito lascia passare selettivamente un liquido mentre blocca l’altro. In un altro esempio, un attuatore a forma di stella in BALCEH trasporta una perla di reagente solido attraverso un sistema stratificato olio–acqua e la rilascia solo quando e dove l’acqua induce il materiale a dispiegarsi, attivando così una reazione chimica con una logica incorporata. Queste dimostrazioni mostrano come la combinazione di una rete elastica direzionale con una rete reattiva e rigonfiabile consenta a un unico materiale morbido di rilevare l’ambiente e convertire tali informazioni in azioni complesse.

Perché questo è importante per le future macchine morbide

Per i non specialisti, il punto chiave è che questo lavoro fonde due tipi di movimento—cambiamento di forma e autopropulsione—in un unico materiale robusto e riutilizzabile. BALCEH si piega e si torce quando incontra acqua, umidità, calore o certi solventi, e può anche scivolare sulle superfici acquatiche alimentato soltanto da piccole quantità di liquidi organici. Poiché la sua risposta dipende sia dal fluido circostante sia dal proprio allineamento preimpostato, può essere programmato per seguire percorsi specifici, trasportare carichi, innescare reazioni o separare miscele senza elettronica o parti rigide. Questo accoppiamento di deformazione e locomozione in una singola striscia leggera apre la strada a dispositivi robotici morbidi e rivestimenti che operano in autonomia in ambienti reali e umidi.

Citazione: Giri, P., Borbora, A., Sarkar, D. et al. Coupling programmable shape morphing and solvent-fueled propulsion in a soft bicontinuous composite. Nat Commun 17, 3638 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69432-x

Parole chiave: robotica morbida, materiali intelligenti, compositi ad idrogel, autopropulsione, bagnabilità adattativa