Sensori morbidi e indossabili: una nuova frontiera nel rapporto uomo-macchina

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Controllare un robot a distanza agitando le mani o la testa. Non si tratta né di magia né della “Forza” di un cavaliere Jedi fuoriuscito dalla saga di Star Wars. Tutto questo, infatti, è oggi realtà alla Nanyang Technological University (NTU) di Singapore. Qui, un laboratorio pilota high-tech è in grado di prototipare rapidamente componenti elettronici ultrasottili ed estensibili, capaci di rilevare i segnali bioelettrici provenienti da pelle, muscoli e organi e di trasmetterli a robot o ad altri dispositivi elettronici.

Questi sensori morbidi e indossabili permettono di controllare dispositivi elettronici esterni con semplici movimenti del corpo

Quando questi sensori intelligenti sono collegati agli arti o alla testa, danno così “nuovi poteri” alle persone con disabilità o con difficoltà di movimento, fornendo loro un metodo accessibile per controllare protesi robotiche, macchinari e sedie a rotelle motorizzate utilizzando movimenti muscolari alternativi e biosegnali.

I ricercatori della NTU hanno sviluppato questi innovativi dispositivi elettronici combinando materiali morbidi e processi messi a punto internamente con componenti hardware normalmente disponibili in commercio. Questa combinazione ibrida consente al team NTU d’integrare molti tipi di sensori presenti sul mercato, come quelli per la connettività wireless, la misura dell’accelerazione, il rilevamento della temperatura e il monitoraggio dei parametri vitali (frequenza cardiaca, pressione sanguigna, livelli d’ossigeno) e altro ancora. I sensori risultanti, racchiusi in una pelle simile al gel, sono morbidi, flessibili ed estensibili, come nel caso di bende e cerotti in silicone usati in ambito sanitario.

Questi sensori aderiscono alla pelle, consentono il movimento articolare e sono disponibili in varie dimensioni e spessori, che vanno dai centimetri ai micron; possono infatti avere una larghezza inferiore a quella di un capello umano (0,01 millimetri).

Lo scienziato che guida il team NTU e le sue scoperte

Pioniere nel campo dell’elettronica morbida è il professor Chen Xiaodong, che ha oltre 50 brevetti a suo nome e detiene numerosi riconoscimenti internazionali, tra cui il prestigioso President’s Science Award 2021 di Singapore e, più recentemente, il Kabiller Young Investigator Award 2023 della statunitense Northwestern University.

Il professor Chen Xiaodong è alla guida del team che sta mettendo a punto innovativi componenti elettronici combinando materiali morbidi appositamente progettati con hardware normalmente disponibile in commercio

Nel corso degli anni, i progetti di ricerca e le innovazioni del professor Chen sono stati sostenuti dalla National Research Foundation (NRF) di Singapore, dall’Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A*Star) e dalla stessa NTU, dando vita a molte tecnologie promettenti con applicazioni pratiche di grande impatto.

La sua scoperta più recente è, per esempio, un nuovo materiale biocompatibile che può facilmente restringersi e avvolgersi attorno ai tessuti molli, come quelli del cuore, quando viene inumidito. I materiali sviluppati hanno raggiunto una compatibilità e una flessibilità tali da consentire il monitoraggio cardiaco in tempo reale e ridurre il rischio di rigetto dell’impianto. La tecnologia può anche aiutare ad aprire la strada, in futuro, a nuovi e migliori tipologie di pacemaker e biomonitor.

In agricoltura, i sensori morbidi fissati alle piante possono monitorarne la salute e controllarne le azioni, offrendo nuove possibilità per la gestione delle malattie delle colture. Allo stesso modo, i sensori intelligenti a basso costo possono essere utilizzati anche sugli imballaggi alimentari, come indicazione della freschezza e per migliorare la sicurezza alimentare.

Dall’impianto pilota alla produzione su larga scala

Louis Phee, vicepresidente di NTU per l’innovazione e l’imprenditorialità

“Intendiamo affrontare alcune delle sfide più urgenti per l’umanità, dal cambiamento climatico ai progressi nel settore sanitario. Il mio obiettivo personale è quello di creare un nuovo centro d’eccellenza per l’elettronica morbida, riunendo un team di esperti dell’industria e di partner commerciali per portare rapidamente queste tecnologie sul mercato”, ha spiegato Chen Xiaodong. Per avviare tale processo d’industrializzazione, il professore ha aperto un laboratorio pilota che mira a co-sviluppare e a produrre dispositivi elettronici soft con partner industriali, comprese le piccole e medie imprese (PMI).

“Nel mercato globale e veloce di oggi, accelerare le innovazioni più “dirompenti” non rappresenta solo un vantaggio, ma una necessità per mantenere la leadership globale”, ha aggiunto il professor Louis Phee, vicepresidente di NTU per l’innovazione e l’imprenditorialità. “Le scoperte di NTU nel campo dell’elettronica leggera/morbida esemplificano il ruolo di Singapore come apripista/capofila nella tecnologia avanzata. Le innovazioni del professor Chen Xiaodong, portate avanti in una delle migliori università al mondo per la scienza dei materiali, testimoniano l’impegno di Singapore per essere leader nei campi della scienza e della tecnologia”.

Molteplici invenzioni per rendere l’elettronica morbida una realtà

Il connettore universale “Bind”, morbido ed elastico, consente di unire diversi componenti elettronici flessibili semplicemente premendoli insieme

Convenzionalmente, la produzione di semiconduttori porta a componenti elettronici che si basano sul silicio come substrato o matrice primaria. Tuttavia, il silicio è duro e rigido. L’elettronica morbida, invece, utilizza una matrice a base di idrogel o di plastiche biocompatibili che sono estensibili e flessibili, per i quali gli scienziati dei materiali NTU hanno inventato numerose formulazioni. Per consentire ai circuiti elettronici di adattarsi ai movimenti senza rompersi sotto le ripetute sollecitazioni, questi circuiti sono stampati su substrati morbidi utilizzando schemi complessi su scala micro e nanometrica. E, come accennato, sono fino a 10 volte più sottili di un capello umano.

Uno di questi schemi, sviluppato dal team del professor Chen, ha la forma di un nastro ondulato, che consentirà al dispositivo elettronico di allungarsi senza rompersi. Un’altra delle sue innovazioni è “Bind”: un connettore universale morbido ed elastico, simile a un Lego, che unisce i componenti elettronici flessibili semplicemente premendoli insieme. Può sopportare un allungamento fino a sette volte la sua lunghezza ed è 60 volte più resistente dei connettori convenzionali. Se utilizzate insieme, queste tecnologie in attesa di brevetto consentono una combinazione di diversi chip convenzionali, da installare e collegare a resistori e condensatori tramite circuiti stampati.

Riccardo Ampollini


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