Messo a punto un metodo per realizzare sensori adattivi ed ecologici stampabili direttamente e impercettibilmente su un'ampia gamma di superfici biologiche, che si tratti di polpastrelli, embrioni di pulcino e piante
L’aumento funzionale e sensoriale delle strutture viventi, come la pelle umana e l’epidermide delle piante, con l’elettronica può essere utilizzato per creare piattaforme per la gestione della salute e il monitoraggio ambientale. Idealmente, tali interfacce bioelettroniche non dovrebbero ostacolare le sensazioni intrinseche e i cambiamenti fisiologici dei loro ospiti. Anche l’intero ciclo di vita delle interfacce dovrebbe essere progettato per ridurre al minimo il loro impatto ambientale.
Il nuovo metodo, sviluppato dai ricercatori dell'University of Cambridge, trae ispirazione dalla seta del ragno, che può conformarsi e aderire a una vasta gamma di superfici. Queste “sete di ragno” incorporano anche elementi bioelettronici, in modo che diverse capacità di rilevamento possano essere aggiunte alla “rete“.
Le fibre, almeno 50 volte più piccole di un capello umano, sono così leggere che i ricercatori le hanno stampate direttamente sulla soffice infiorescenza di un dente di leone senza farne crollare la struttura. Quando vengono stampati sulla pelle umana, i sensori in fibra si conformano alla pelle ed espongono i pori del sudore, quindi chi li indossa non ne rileva la presenza. I test sulle fibre stampate su un dito umano suggeriscono che potrebbero essere utilizzate come monitor sanitari continui.
Questo metodo a bassi rifiuti e a basse emissioni per potenziare le strutture viventi 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 (1).
Sebbene la pelle umana sia notevolmente sensibile, potenziarla 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 vuoi percepire con precisione qualcosa su una superficie biologica come la pelle o una foglia, l'interfaccia tra il dispositivo e la superficie è vitale», ha affermato la professoressa Yan Yan Shery Huang (2) 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 con il metodo in cui l'utente interagisce con il mondo, e vogliamo che sia sostenibile e con pochi sprechi».
Esistono diversi metodi per realizzare sensori indossabili, ma tutti presentano degli inconvenienti. I componenti elettronici flessibili, ad esempio, vengono normalmente stampati su pellicole di plastica che non consentono il passaggio di gas o umidità, quindi sarebbe come avvolgere la pelle in una pellicola trasparente. Altri ricercatori hanno recentemente sviluppato componenti elettronici flessibili permeabili ai gas, come le pelli artificiali, ma questi interferiscono ancora con la normale sensazione e si basano su tecniche di produzione ad alta intensità di energia.
La stampa 3D è un’altra potenziale strada per la bioelettronica poiché comporta meno sprechi rispetto ad altri metodi di produzione, ma porta a dispositivi più spessi che possono interferire con il comportamento normale. La rotazione delle fibre elettroniche dà come risultato dispositivi impercettibili all'utente, ma che non hanno un alto grado di sensibilità o sofisticatezza e sono difficili da trasferire sull'oggetto in questione.
Ora, il team guidato da Cambridge ha sviluppato un nuovo modo di realizzare componenti bioelettronici ad alte prestazioni che possono essere personalizzati su un’ampia gamma di superfici biologiche, dalla punta di un dito alla soffice testa di seme di un dente di leone, stampandoli direttamente su quella superficie. La loro tecnica trae ispirazione in parte dai ragni, che creano strutture web sofisticate e resistenti adattate al loro ambiente, utilizzando una quantità minima di materiale.
I ricercatori hanno tessuto 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 acquosa a temperatura ambiente, che ha consentito ai ricercatori di controllare la “filabilità” delle fibre. I ricercatori hanno quindi progettato un approccio di filatura orbitale per consentire alle fibre di trasformarsi in superfici viventi, anche fino a microstrutture come le impronte digitali.
I test delle fibre bioelettroniche, su superfici tra cui dita umane e teste di dente di leone, hanno dimostrato che fornivano prestazioni del sensore di alta qualità pur essendo impercettibili all'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 di immagini», ha affermato il dottor Wenyu (Andy) Wang (3), il primo autore dell'articolo. «Apre una prospettiva completamente diversa in termini di come è possibile realizzare elettronica e sensori sostenibili. 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 l'uso di sostanze chimiche tossiche in un processo di fabbricazione a 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 singolo milligrammo di rifiuti: in confronto, un tipico carico di bucato produce tra 600 e 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 spaziano dal monitoraggio sanitario 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 in fibra integrati con lo scopo di potenziare i sistemi viventi con funzioni di visualizzazione, calcolo e conversione dell’energia. La ricerca viene commercializzata con il supporto di Cambridge Enterprise, il braccio di commercializzazione dell'Università.
La ricerca è stata sostenuta in parte dal Consiglio europeo della ricerca, da Wellcome, dalla Royal Society e dal Consiglio di ricerca sulle scienze biologiche e biotecnologiche (BBSRC), parte di UK Research and Innovation (UKRI).
Riferimenti:
(1) Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres
Descrizione foto: 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. - Credit: University of Cambridge.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Imperceptible sensors made from ‘electronic spider silk’ can be printed directly on human skin
