I ricercatori hanno sviluppato un metodo per realizzare sensori adattivi ed ecologici che possono essere stampati direttamente e impercettibilmente su un’ampia gamma di superfici biologiche, che si tratti di un dito o di un petalo di fiore.
I ricercatori hanno sviluppato un metodo per realizzare sensori adattivi ed ecologici che possono essere stampati direttamente e impercettibilmente su un’ampia gamma di superfici biologiche, che si tratti di un dito o di un petalo di fiore.
Il metodo, sviluppato dai ricercatori dell’Università di Cambridge, si ispira alla seta di ragno, che può conformarsi e aderire a una vasta gamma di superfici.
Queste “sete di ragno” incorporano anche la bioelettronica, in modo che diverse capacità di rilevamento possano essere aggiunte alla “ragnatela”.
Le fibre, almeno 50 volte più piccole di un capello umano, sono così leggere che i ricercatori le hanno stampate direttamente sulla soffice testa di un dente di leone senza farne collassare la struttura.
Quando vengono stampati sulla pelle umana, i sensori in fibra si adattano alla pelle ed espongono i pori del sudore, in modo che chi li indossa non ne rilevi la presenza.
I test delle fibre stampate su un dito umano suggeriscono che potrebbero essere utilizzate come monitor continui della salute.
Questo metodo a basso spreco e a basse emissioni per aumentare le strutture abitative potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di campi, dall’assistenza sanitaria e la realtà virtuale, ai tessuti elettronici e al monitoraggio ambientale.
I risultati sono riportati sulla rivista Nature Electronics.
Sebbene la pelle umana sia notevolmente sensibile, aumentarla con sensori elettronici potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui interagiamo con il mondo che ci circonda.
Ad esempio, i sensori stampati direttamente sulla pelle potrebbero essere utilizzati per il monitoraggio continuo della salute, per comprendere le sensazioni della pelle o potrebbero migliorare la sensazione di “realtà” nei giochi o nelle applicazioni di realtà virtuale.
Sebbene le tecnologie indossabili con sensori incorporati, come gli smartwatch, siano ampiamente disponibili, questi dispositivi possono essere scomodi, invadenti e possono inibire le sensazioni intrinseche della pelle.
“Se si vuole rilevare con precisione qualsiasi cosa su una superficie biologica come la pelle o una foglia, l’interfaccia tra il dispositivo e la superficie è vitale”, ha detto il professor Yan Yan Shery Huang del Dipartimento di Ingegneria di Cambridge, che ha guidato la ricerca.
“Vogliamo anche che la bioelettronica sia completamente impercettibile per l’utente, in modo che non interferisca in alcun modo con il modo in cui l’utente interagisce con il mondo, e vogliamo che sia sostenibile e a basso spreco”.
Esistono diversi metodi per realizzare sensori indossabili, ma tutti presentano degli svantaggi.
I dispositivi elettronici flessibili, ad esempio, sono normalmente stampati su pellicole plastiche che non consentono il passaggio di gas o umidità, quindi sarebbe come avvolgere la pelle in una pellicola trasparente.
Altri ricercatori hanno recentemente sviluppato un’elettronica flessibile che è permeabile ai gas, come le pelli artificiali, ma che interferisce ancora con la normale sensazione e si basa su tecniche di produzione ad alta intensità energetica e di rifiuti.
La stampa 3D è un’altra potenziale strada per la bioelettronica poiché è meno dispendiosa rispetto ad altri metodi di produzione, ma porta a dispositivi più spessi che possono interferire con il normale comportamento.
La filatura delle fibre elettroniche si traduce in dispositivi impercettibili per l’utente, ma senza un alto grado di sensibilità o sofisticazione, e sono difficili da trasferire sull’oggetto in questione.
Ora, il team guidato da Cambridge ha sviluppato un nuovo modo di realizzare bioelettronica ad alte prestazioni che può essere personalizzata su un’ampia gamma di superfici biologiche, dalla punta di un dito alla soffice testa di seme di un dente di leone, stampandole direttamente su quella superficie.
La loro tecnica si ispira in parte ai ragni, che creano strutture di ragnatele sofisticate e resistenti adattate al loro ambiente, utilizzando materiali minimi.
I ricercatori hanno filato la loro “seta di ragno” bioelettronica da PEDOT:PSS (un polimero conduttore biocompatibile), acido ialuronico e ossido di polietilene.
Le fibre ad alte prestazioni sono state prodotte da una soluzione a base d’acqua a temperatura ambiente, che ha permesso ai ricercatori di controllare la “filabilità” delle fibre.
I ricercatori hanno quindi progettato un approccio di rotazione orbitale per consentire alle fibre di trasformarsi in superfici viventi, anche in microstrutture come le impronte digitali.
I test delle fibre bioelettroniche, su superfici tra cui dita umane e teste di semi di tarassaco, hanno dimostrato che fornivano prestazioni del sensore di alta qualità pur rimanendo impercettibili per l’ospite.
“Il nostro approccio di filatura consente alle fibre bioelettroniche di seguire l’anatomia di forme diverse, sia su scala micro che macro, senza la necessità di alcun riconoscimento dell’immagine”, ha detto Andy Wang, il primo autore dell’articolo.
“Apre un punto di vista completamente diverso in termini di come l’elettronica e i sensori sostenibili possono essere realizzati. È un modo molto più semplice per produrre sensori di grandi dimensioni”.
La maggior parte dei sensori ad alta risoluzione sono realizzati in una camera bianca industriale e richiedono sostanze chimiche tossiche in un processo di fabbricazione in più fasi e ad alta intensità energetica.
I sensori sviluppati da Cambridge possono essere realizzati ovunque e utilizzano una piccola frazione dell’energia richiesta dai normali sensori.
Le fibre bioelettroniche, che sono riparabili, possono essere semplicemente lavate via quando hanno raggiunto la fine della loro vita utile e generano meno di un milligrammo di rifiuti: in confronto, un tipico singolo carico di biancheria produce tra i 600 e i 1500 milligrammi di scarti di fibre.
“Utilizzando la nostra semplice tecnica di fabbricazione, possiamo posizionare i sensori quasi ovunque e ripararli dove e quando ne hanno bisogno, senza bisogno di una grande macchina da stampa o di un impianto di produzione centralizzato”, ha affermato Huang.
“Questi sensori possono essere realizzati su richiesta, proprio dove sono necessari, e producono rifiuti ed emissioni minimi”.
I ricercatori affermano che i loro dispositivi potrebbero essere utilizzati in applicazioni che vanno dal monitoraggio della salute e dalla realtà virtuale, all’agricoltura di precisione e al monitoraggio ambientale.
In futuro, altri materiali funzionali potrebbero essere incorporati in questo metodo di stampa in fibra, per costruire sensori integrati in fibra per aumentare i sistemi viventi con funzioni di visualizzazione, calcolo e conversione dell’energia.
La ricerca è stata commercializzata con il supporto di Cambridge Enterprise, il braccio commerciale dell’Università.
Foto: University of Cambridge
