Circuiti integrati simili alla pelle

Piccoli dispositivi elettronici indossabili o impiantabili potrebbero aiutare a monitorare la nostra salute, diagnosticare malattie e offrire opportunità per trattamenti autonomi e migliorati. Ma per fare ciò senza aggravare o danneggiare le cellule che li circondano, questi dispositivi elettronici dovranno non solo piegarsi e allungarsi insieme ai nostri tessuti mentre si muovono, ma anche essere abbastanza morbidi da non graffiare e danneggiare i tessuti.

I ricercatori di Stanford lavorano da oltre un decennio su dispositivi elettronici elastici simili alla pelle. In un articolo pubblicato su Nature (1), presentano un nuovo processo di progettazione e fabbricazione per circuiti integrati simili alla pelle, cinque volte più piccoli e che funzionano a velocità mille volte superiori rispetto alle versioni precedenti. I ricercatori hanno dimostrato che i loro circuiti integrati morbidi sono ora in grado di pilotare uno schermo micro-LED e rilevare un array braille che è più sensibile della punta delle dita umane.

«Abbiamo fatto un notevole passo avanti. Per la prima volta, i circuiti integrati estensibili sono ora abbastanza piccoli e abbastanza veloci per molte applicazioni», ha affermato la dottoressa Zhenan Bao (2), professoressa di ingegneria chimica presso KK Lee a Stanford e autrice senior dell’articolo. «Speriamo che questo possa rendere i sensori indossabili e le sonde neurali e intestinali impiantabili più sensibili, far funzionare più sensori e potenzialmente consumare meno energia».

Flessibile, estensibile e funzionale

Il nucleo dei circuiti sono transistor estensibili realizzati con nanotubi di carbonio semiconduttori e materiali elettronici morbidi ed elastici sviluppati nel laboratorio di Bao. A differenza del silicio, che è duro e fragile, i nanotubi di carbonio inseriti tra materiali elastici hanno una struttura a rete che consente loro di continuare a funzionare mentre si allungano e si deformano. I transistor e i circuiti sono modellati su un substrato estensibile, insieme al semiconduttore, conduttore e materiale dielettrico estensibile.

«Si tratta di molti anni di sviluppo di materiali e ingegneria», ha affermato la professoressa Bao. «Non solo dovevamo sviluppare nuovi materiali, ma dovevamo anche sviluppare la progettazione dei circuiti e il processo di fabbricazione per realizzare i circuiti. Ci sono molti livelli impilati insieme e se un livello non funziona, dobbiamo ricominciare tutto da zero».

In una dimostrazione del loro nuovo design elettronico estensibile, i ricercatori sono riusciti ad inserire più di 2.500 sensori e transistor in un centimetro quadrato, creando una matrice tattile a matrice attiva oltre dieci volte più sensibile della punta delle dita umane. Gli ingegneri hanno dimostrato che la serie di sensori può rilevare la posizione e l’orientamento di piccole forme o riconoscere intere parole in Braille.

«Con il Braille, di solito percepisci una lettera alla volta», ha detto il dottor Donglai Zhong (3), ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Bao e co-primo autore dell'articolo. «Con una risoluzione così alta, potresti percepire un'intera parola, o potenzialmente un'intera frase, con un solo tocco».

I ricercatori hanno anche utilizzato i loro circuiti estensibili per pilotare un display micro-LED con una frequenza di aggiornamento di 60 Hz, che è la frequenza di aggiornamento tipica di uno schermo di computer o TV. Le versioni precedenti dei circuiti estensibili non erano abbastanza veloci nelle dimensioni ridotte per generare abbastanza corrente per raggiungere questo obiettivo.

«Siamo davvero entusiasti di questi miglioramenti delle prestazioni perché ci consentono di fare molte cose nuove», ha affermato Can Wu (4), ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Bao e co-primo autore dell'articolo. «I risultati preliminari dimostrano che il nostro transistor può essere utilizzato, ad esempio, per pilotare display commerciali comunemente utilizzati nei monitor dei computer. E per le applicazioni biomediche, un sistema di rilevamento ad alta densità, morbido e conformabile potrebbe consentirci di percepire i segnali del corpo umano, come quelli provenienti dal cervello e dai muscoli, su larga scala e con una risoluzione precisa. Ciò potrebbe portare a interfacce cervello-macchina di prossima generazione che siano sia ad alte prestazioni che biocompatibili».

Circuiti morbidi per il futuro

I ricercatori hanno intenzionalmente sviluppato materiali e processi che potrebbero funzionare con gli strumenti di fabbricazione esistenti, in modo che i circuiti possano passare più facilmente alla produzione commerciale. Il loro processo si basa su tecniche di fabbricazione simili a quelle attualmente utilizzate per realizzare schermi, sebbene i materiali coinvolti siano completamente diversi. «I produttori non sarebbero in grado di realizzare questi circuiti senza qualche ulteriore messa a punto, ma gli strumenti sono già pronti», ha detto Bao.

Naturalmente, ci sono più ostacoli prima che questi circuiti integrati estensibili e morbidi possano essere pronti per la commercializzazione. Il movimento del corpo e dei tessuti può ancora causare qualche variazione nelle caratteristiche elettriche dei circuiti – Bao e i suoi colleghi stanno lavorando su nuovi progetti che potrebbero ridurre questi effetti – e i dispositivi avranno bisogno di una sorta di protezione morbida dall’umidità prima di poter essere utilizzati.

«Ci sono ancora sfide per il futuro di questa tecnologia, ma questi recenti sviluppi aprono alcune applicazioni biomediche molto interessanti per l'elettronica indossabile e impiantabile», ha affermato Bao. «E ha anche applicazioni nella robotica morbida, conferendo ai robot una funzionalità di rilevamento che si avvicina a quella degli esseri umani e li rende più sicuri per le persone con cui lavorare».

Bao è membro dello Stanford Bio-X, dello Stanford Cardiovascolare Institute, della Wu Tsai Human Performance Alliance, del Wu Tsai Neurosciences Institute e del Maternal & Child Health Research Institute; un'affiliata del Precourt Institute for Energy e dello Stanford Woods Institute for the Environment; e membro della facoltà di Sarafan ChEM-H. Bao è un ricercatore di CZ-Biohub-San Francisco e un ricercatore di innovazione dell'Arc Institute. Altri coautori di questa ricerca a Stanford includono il ricercatore Jeffrey B.-H. Tok; ricercatori post-dottorato Yuanwen Jiang (co-primo autore), Min-gu Kim, Chien-Chung Shih, Jian-Cheng La, Chuanzhen Zhao, Shiyuan Wei, Xiaozhou Ji, Yi-Xuan Wang, Chengyi Xu, Naoji Matsuhisa, Yusheng Lei, Deya Liu, Song Zhang e Yuto Ochiai; e gli studenti di dottorato Yujia Yuan, Yuya Nishio, Weichen Wang, Theodore Z. Gao, Yu Zheng, Zhiao Yu, Huaxin Gong e Shuhan Liu. Questo lavoro è stato finanziato da SAIT, Samsung Electronics Co, Ltd, Army Research Office, CZ Biohub-San Francisco, Stanford Wearable Electronics Initiative e National Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Tough soldering for stretchable electronics by small-molecule modulated interfacial assemblies

(2) Zhenan Bao

(3) Donglai Zhong

(4) Can Wu

Descrizione foto: Transistor e circuiti integrati intrinsecamente estensibili sottoposti a grande deformazione dopo essere stati rilasciati dal substrato di supporto. - Credit: Donglai Zhong, Jiancheng Lai e Yuya Nishio del Bao Group della Stanford University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Smaller, more powerful stretchable electronics for wearables and implantables