Pelle elettronica: il fisico della TU Graz sviluppa materiale ibrido multisensoriale
Materiale ibrido 3 in 1 per la prossima generazione di pelle artificiale intelligente
La pelle è il più grande organo sensoriale e allo stesso tempo il mantello protettivo dell’essere umano. “percepisce” più input sensoriali contemporaneamente e trasmette al cervello informazioni su umidità, temperatura e pressione. Per Anna Maria Coclite, un materiale con tali proprietà multisensoriali è “una sorta di ‘Santo Graal’ nella tecnologia dei materiali artificiali intelligenti. In particolare, la robotica e le protesi intelligenti trarrebbero vantaggio da un sistema di rilevamento più integrato e più preciso simile alla pelle umana”. Il vincitore della borsa di studio ERC e ricercatore presso l’Institute of Solid State Physics di TU Graz è riuscito a sviluppare il materiale ibrido tre in uno “smart skin” per la prossima generazione di pelle artificiale ed elettronica utilizzando un nuovo processo. Il risultato di questa ricerca pionieristica è stato ora pubblicato sulla rivistaTecnologie avanzate dei materiali .
Delicato come un dito
Per quasi sei anni, il team ha lavorato allo sviluppo di smart skin nell’ambito del progetto ERC Smart Core di Coclite. Con 2.000 sensori singoli per millimetro quadrato, il materiale ibrido è ancora più sensibile della punta di un dito umano. Ciascuno di questi sensori è costituito da una combinazione unica di materiali: un polimero intelligente sotto forma di idrogel all’interno e un guscio di ossido di zinco piezoelettrico. Coclite spiega: “L’idrogel può assorbire l’acqua e quindi espandersi al variare dell’umidità e della temperatura. In tal modo, esercita una pressione sull’ossido di zinco piezoelettrico, che risponde a questa e a tutte le altre sollecitazioni meccaniche con un segnale elettrico”. Il risultato è un materiale sottilissimo che reagisce simultaneamente alla forza, all’umidità e alla temperatura con una risoluzione spaziale estremamente elevata ed emette i segnali elettronici corrispondenti. “I primi campioni di pelle artificiale hanno uno spessore di sei micrometri, o 0,006 millimetri. Ma potrebbe essere ancora più sottile”, afferma Anna Maria Coclite. In confronto, l’epidermide umana ha uno spessore compreso tra 0,03 e 2 millimetri (https://www.netdoktor.at/anatomie/epidermis/ , solo in tedesco). La pelle umana percepisce le cose da una dimensione di circa un millimetro quadrato. La pelle intelligente ha una risoluzione mille volte più piccola e può registrare oggetti troppo piccoli per la pelle umana (come i microrganismi).
Lavorazione dei materiali su scala nanometrica
I singoli strati di sensori sono molto sottili e allo stesso tempo sono dotati di elementi sensoriali che coprono l’intera superficie. Ciò è stato possibile in un processo unico al mondo per il quale i ricercatori hanno combinato per la prima volta tre metodi noti della chimica fisica: una deposizione chimica da vapore per il materiale dell’idrogel, una deposizione di uno strato atomico per l’ossido di zinco e una litografia a nanostampa per il modello polimerico. La preparazione litografica della sagoma polimerica è stata affidata al gruppo di ricerca “Elettronica ibrida e strutturazione” guidato da Barbara Stadlober. Il gruppo fa parte del Materials Institute di Joanneum Research con sede a Weiz.
Diversi campi di applicazione si stanno ora aprendo per il materiale ibrido simile alla pelle. Nel settore sanitario, ad esempio, il materiale del sensore potrebbe rilevare in modo indipendente i microrganismi e segnalarli di conseguenza. Sono anche ipotizzabili protesi che forniscano a chi le indossa informazioni sulla temperatura o l’umidità, o robot in grado di percepire il loro ambiente in modo più sensibile. Nel percorso verso l’applicazione, smart skin ottiene un vantaggio decisivo: le nanobarre sensoriali, il “nucleo intelligente” del materiale, sono prodotte utilizzando un processo di produzione basato sul vapore. Questo processo è già ben consolidato negli impianti di produzione di circuiti integrati, ad esempio. La produzione di smart skin può quindi essere facilmente ridimensionata e implementata nelle linee di produzione esistenti.
Le proprietà della pelle intelligente vengono ora ulteriormente ottimizzate. Anna Maria Coclite e il suo team – qui in particolare il dottorando Taher Abu Ali – vogliono estendere l’intervallo di temperatura a cui reagisce il materiale e migliorare la flessibilità della pelle artificiale.
In dettaglio: Assoc.Prof. Dott.ssa Anna Maria
Coclite L’area di ricerca di Anna Maria Coclite è nella scienza dei materiali e in particolare nel metodo CVD (chemical vapor deposition). Questo è un metodo di lavorazione dei materiali su scala nanometrica. Coclite ha lavorato con questo metodo al MIT (Massachusetts Institute of Technology), dove è stata post-dottorato per tre anni. La ricercatrice ha portato con sé il metodo CVD in Europa e lo ha sviluppato ulteriormente presso la TU Graz. Anna Maria Coclite ha ricevuto una borsa di studio Marie Curie per il Three-Sprogetto nel 2014 e finanziamento della ricerca da parte dell’Austrian Science Fund FWF per il progetto Pro-CVD nello stesso anno. Inoltre, ha ricevuto numerosi fondi di avviamento da TU Graz per i progetti presentati. Nel 2016 è stata la prima donna alla TU Graz a ricevere un ERC Starting Grant per il progetto SmartCore . Coclite è co-responsabile del campo di competenza interfacoltà “Scienza dei materiali avanzata”, uno dei cinque campi di competenza strategici di TU Graz.
