Dalla ricerca sui nanomateriali emergono dispositivi cutanei flessibili utili a monitorare parametri vitali e generare energia dal movimento umano

La wearable technology continua a evolversi lungo una traiettoria che punta alla crescente integrazione tra dispositivi elettronici e corpo umano. In questo contesto, la ricerca sugli electronic tattoo, o E-tattoo, rappresenta una delle direzioni più promettenti per superare i limiti degli attuali dispositivi indossabili.

Il progetto sviluppato presso la Boise State University nello Stato americano dell’Idaho introduce un approccio che combina materiali avanzati, processi di fabbricazione su scala nanometrica e nuove logiche di interazione uomo-macchina. La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica Advanced Science, è il risultato del lavoro di un team interdisciplinare composto da 17 ricercatori tra faculty e staff.

Wearable technology verso integrazione invisibile e continua

Negli ultimi anni, smartwatch e fitness tracker hanno definito lo standard della cosiddetta “tecnologia indossabile”, ma presentano ancora limiti evidenti in termini di comfort, continuità di monitoraggio e consumo energetico. Il settore sta quindi orientando la ricerca verso soluzioni che possano garantire un’interfaccia più diretta con il corpo umano.

In questo scenario si inseriscono gli skin electronics, dispositivi progettati per aderire alla pelle come una seconda epidermide. L’obiettivo è ottenere un monitoraggio continuo e non invasivo dei parametri fisiologici, riducendo al minimo l’ingombro e migliorando l’accuratezza dei dati raccolti.

Come spiega Ajay Pratap, dottorando in scienza dei materiali e ingegneria,

“E-tattoo è un termine sofisticato per indicare l’elettronica applicata alla pelle: possiamo tagliarli in qualsiasi forma e applicarli direttamente come un tatuaggio, ma sono rimovibili”.

La natura funzionale dei materiali consente inoltre molteplici applicazioni:

“possono essere utilizzati per raccogliere energia o per il monitoraggio, ad esempio dell’elettrocardiogramma o dell’attività muscolare”.

Secondo analisti del settore, questa evoluzione risponde a due driver principali: da un lato la crescita della digital health, dall’altro la necessità di soluzioni energeticamente autonome per dispositivi sempre più miniaturizzati. Gli E-tattoo si collocano precisamente all’intersezione di queste due dinamiche.

Nanomateriali e processi elettrofilati alla base dell’innovazione

L’elemento distintivo della ricerca condotta dal gruppo di studio guidato da Pratap, sotto la supervisione del professor David Estrada, risiede nell’uso combinato di nanofibre polimeriche e materiali avanzati come i MXenes, in particolare il carburo di titanio. Il processo di elettrofilatura (electrospinning) consente di ottenere strutture estremamente sottili e flessibili, che formano una matrice simile a un tessuto nanoscopico.

“L’elettrospinner utilizza un campo elettrico elevato tra un ago e un tamburo per tirare il polimero e trasformarlo in fibre su scala nanometrica”,

spiega Estrada.

“Queste fibre si depositano formando una struttura che ricorda un intreccio casuale, simile a un piatto di spaghetti”.

Su questa matrice vengono depositati i MXenes, materiali bidimensionali noti per le loro proprietà elettriche e meccaniche. Questa combinazione permette di creare dispositivi che mantengono conducibilità e funzionalità anche in condizioni di deformazione, come stiramento, compressione e torsione della pelle, mantenendo stabilità operativa anche durante l’uso quotidiano.

Il risultato è un dispositivo ultra-sottile e flessibile, applicabile direttamente sulla pelle e removibile con semplici soluzioni come l’alcol. A differenza di altri prototipi di elettronica epidermica, il sistema sviluppato introduce anche un’attenzione alla sostenibilità dei materiali.

“Siamo tra i pochi gruppi al mondo che utilizzano questo polimero per questa applicazione”,

sottolinea Estrada.

“Riteniamo che sia più rispettoso dell’ambiente rispetto ad altri materiali comunemente utilizzati in questo ambito”.

Monitoraggio biometrico e raccolta energetica integrata

Dal punto di vista funzionale, gli E-tattoo dimostrano capacità rilevanti per applicazioni in ambito sanitario e sportivo. I test condotti hanno evidenziato la possibilità di rilevare segnali come elettrocardiogramma (ECG) ed elettromiografia (EMG) con elevata stabilità, anche durante il movimento.

La vera innovazione, tuttavia, emerge nell’integrazione di sistemi di energy harvesting. I dispositivi sono in grado di convertire l’energia meccanica generata dal movimento umano (ad esempio, la camminata) in energia elettrica utilizzabile da sensori a basso consumo.

“In media una persona compie tra 5.000 e 10.000 passi al giorno, generando circa uno o due kilojoule di energia”,

osserva Pratap.

“Il nostro obiettivo è sfruttare questa energia per alimentare dispositivi a basso consumo, come sensori cardiaci o smartwatch”.

Considerando che un individuo medio compie migliaia di passi al giorno, la possibilità di recuperare anche una frazione di questa energia apre scenari interessanti per l’autonomia dei dispositivi indossabili. In prospettiva, questo approccio potrebbe ridurre la dipendenza da batterie tradizionali, uno dei principali colli di bottiglia del settore.

Implicazioni industriali e nuovi modelli applicativi emergenti

L’introduzione degli E-tattoo potrebbe avere un impatto significativo su diversi segmenti di mercato. In ambito sanitario, questi dispositivi abilitano modelli di monitoraggio continuo e remoto, fondamentali per la gestione delle malattie croniche e per la medicina preventiva.

Nel settore sportivo, offrono la possibilità di raccogliere dati fisiologici in tempo reale senza interferire con le prestazioni dell’atleta. Parallelamente, si aprono opportunità anche nell’ambito della sicurezza sul lavoro, dove il monitoraggio delle condizioni fisiche può contribuire alla prevenzione degli incidenti.

Dal punto di vista industriale, la sfida principale riguarda la scalabilità dei processi produttivi e l’integrazione con le piattaforme digitali esistenti. La produzione su larga scala di nanomateriali e la loro standardizzazione rappresentano ancora un nodo critico, così come la gestione dei dati generati da questi dispositivi.

Un ulteriore elemento di interesse è rappresentato dalla riduzione dei rifiuti elettronici. La possibilità di utilizzare materiali più sostenibili e dispositivi facilmente rimovibili potrebbe contribuire a mitigare l’impatto ambientale della wearable technology, tema sempre più centrale nelle strategie industriali.

Verso una nuova generazione di interfacce uomo-macchina

Gli sviluppi nel campo degli E-tattoo indicano una direzione chiara: l’evoluzione verso interfacce sempre più integrate, discrete e autonome. Se le sfide tecnologiche e produttive verranno superate, questi dispositivi potrebbero ridefinire il concetto stesso di wearable, trasformandolo in una componente quasi invisibile della vita quotidiana.

In prospettiva, la convergenza tra materiali avanzati, microelettronica e biotecnologie potrebbe portare alla nascita di ecosistemi di dispositivi interconnessi, capaci di dialogare direttamente con il corpo umano e con le infrastrutture digitali circostanti.

Come evidenziato anche dal team di ricerca, il carattere interdisciplinare del progetto — che ha coinvolto competenze in fisica, ingegneria elettrica, scienze biomolecolari e ingegneria biomedica — è stato determinante anche dal punto di vista operativo. Come sottolinea lo stesso Pratap, il lavoro collaborativo ha rappresentato un fattore chiave per il successo del progetto, grazie al supporto continuo tra ricercatori e alla capacità di affrontare le criticità in modo condiviso.

Una visita virtuale al Micron School of Materials Science and Engineering dell’Università di Boise

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