I ricercatori giapponesi hanno sviluppato un nuovo materiale composito che potrebbe rivoluzionare la produzione di elettronica wearable e robot umanoidi

Lo sviluppo di sensori flessibili sempre più efficienti e sostenibili è al centro di un intenso sforzo collettivo: negli ultimi vent’anni, gli scienziati di tutto il mondo hanno lavorato a nuovi materiali e tecnologie che hanno gradualmente reso possibile la produzione di dispositivi wearable capaci di autoalimentarsi grazie a fonti di energia come il calore e il movimento.

Oggi, uno studio dell’Università di Shinshu fa un importante passo avanti nel promettente campo dei sensori piezoelettrici: i ricercatori hanno infatti sviluppato un nuovo materiale composito a base di nanofibre di fluoruro di polivinilidene (PVDF) e dopamina che sembra avere delle proprietà eccezionali. Testati su dispositivi indossabili, i sensori realizzati con questo nuovo materiale hanno dato prova di saper rispondere non soltanto ai movimenti, ma anche a segnali fisiologici come il battito del polso.

Sensori flessibili: è la via piezoelettrica al successo

Convertire vibrazioni, luce e calore in energia elettrica è una delle grandi sfide dei ricercatori impegnati nel campo della robotica e dell’elettronica wearable. Lo sviluppo di sempre nuovi dispositivi di energy harvesting, quelli cioè che raccolgono l’energia proveniente da fonti alternative e la rendono subito disponibile, potrebbe infatti costituire l’alternativa definitiva alle batterie, che oltre ad avere una durata limitata hanno anche un notevole impatto ambientale.

Lo sviluppo di strumenti elettronici indossabili e flessibili in grado di utilizzare l’energia prodotta dal calore e dai movimenti del corpo sta impegnando gli scienziati da qualche anno: l’obiettivo dichiarato è quello di rendere pavimenti, scarpe e indumenti dei dispositivi in grado di generare energia ed autoalimentarsi.

In questo contesto, i materiali piezoelettrici hanno ben presto attirato l’attenzione su di sé, diventando in un certo senso i pionieri dell’elettronica wearable: oltre ad essere leggeri, flessibili e biocompatibili, infatti, questi materiali sono in grado di raccogliere l’energia delle vibrazioni e convertirla in elettricità in maniera molto efficiente.

In questo vivace ambito di ricerca, il film polimerico del Polivinilidenfluoruro (PVDF) è apparso subito avere delle ottime caratteristiche, in quanto molto flessibile e dalle buone proprietà piezoelettriche.

A partire da queste premesse, nel 2020 i ricercatori del National Institute of Technology di Karnataka hanno sviluppato un nuovo tessuto piezoelettrico nanocomposito fatto di talco e PVDF e realizzato tramite elettrofilatura, che presentava caratteristiche ancora migliori. Oggi, gli scienziati giapponesi hanno fatto un ulteriore passo in avanti.

Nuovi sensori flessibili ad alte prestazioni: lo studio

L’ultimo studio dell’Università di Shinshu, guidato dal professore emerito Ick Soo Kim in collaborazione con Junpeng Xiong, Ling Wang, Mayakrishnan Gopiraman e Jian Shi, è stato pubblicato lo scorso maggio sulla rivista Advanced Fiber Materials. I ricercatori giapponesi hanno sviluppato un nuovo materiale composito piezoelettrico costituito da nanofibre di PVDF elettrofilate, stavolta combinate con dopamina.

La ricerca parte da un’esigenza concreta: sviluppare una produzione di massa di sensori flessibili biocompatibili e fare in modo che la loro realizzazione sia sostenibile dal punto di vista ambientale. A fronte delle evoluzioni della robotica e dell’elettronica indossabile c’è sempre più richiesta di sensori di questo tipo, ma fino ad oggi lo sviluppo di soluzioni efficienti ha richiesto l’utilizzo di nanomateriali inorganici – che inevitabilmente pongono problemi come la sensibilità alle condizioni ambientali e la potenziale tossicità biologica.

Il design del nuovo sensore prevede l’elettrofilatura graduale di una membrana composita di nanofibre in 2D. Prima, spiegano gli scienziati, le nanofibre di PVDF vengono filate con diametri nell’ordine di 200 nm, formando una rete uniforme che funge da base per il sensore piezoelettrico. Poi, su questa base vengono filate delle nanofibre di PVDF ultrafini con diametri inferiori a 35 nm, che si intrecciano automaticamente tra gli spazi vuoti della rete di base creando una particolare topologia 2D.

Un sensore in grado di rispondere al battito del polso

Grazie a esperimenti, simulazioni e analisi teoriche, gli scienziati hanno scoperto che la nuova rete composita presentava un orientamento dei cristalli beta superiore, e le prestazioni piezoelettriche dei sensori risultavano notevolmente migliorate.

Per aumentare ulteriormente la stabilità del materiale, quindi, i ricercatori hanno introdotto della dopamina (DA) durante il processo di elettrofilatura, creando una struttura protettiva core-shell, cioè una nanostruttura in cui un materiale forma il nucleo e l’altro va a costituire il “guscio” che lo circonda.

Come spiega Kim:

“Il sensore fabbricato utilizzando membrane composite PVDF/DA ha mostrato prestazioni eccellenti, tra cui un ampio intervallo di risposta di 1,5-40 N, un’elevata sensibilità di 7,29 V/N a forze deboli nell’intervallo 0-4 N e un’eccellente durata operativa”.

I ricercatori hanno dimostrato queste eccezionali caratteristiche anche nella pratica, utilizzando sensori wearable per misurare diversi movimenti. Indossati da un essere umano, i nuovi sensori sono stati in grado di produrre una risposta in tensione facilmente distinguibile ai movimenti naturali e ai segnali fisiologici. Tra gli stimoli testati, il battere delle dita, il piegare le ginocchia e i gomiti, il parlare e addirittura le pulsazioni del polso.

Un’evoluzione per i wearable ma anche per la robotica

Data la potenziale produzione di massa a basso costo di questi sensori piezoelettrici, combinata con l’uso di materiali organici ecocompatibili al posto dei dannosi inorganici, il nuovo studio potrebbe avere importanti implicazioni tecnologiche non solo per il monitoraggio e la diagnostica della salute, ma anche per la robotica.

Come afferma il Professor Ick Soo Kim:

“Nonostante le sfide attuali, i robot umanoidi sono destinati a svolgere un ruolo sempre più importante nel prossimo futuro. Per esempio, il noto robot Tesla ‘Optimus’ è già in grado di imitare i movimenti umani e di camminare come un essere umano. Considerando che attualmente si utilizzano sensori ad alta tecnologia per monitorare i movimenti dei robot, i sensori piezoelettrici superiori a base di nanofibre che abbiamo proposto hanno un grande potenziale non solo per il monitoraggio dei movimenti umani, ma anche nel campo della robotica umanoide”.

Ora non resta che facilitare l’adozione di questi sensori: nel prossimo futuro, i ricercatori si concentreranno sul miglioramento delle proprietà di uscita elettrica del materiale, in modo che i componenti elettronici flessibili possano essere pilotati senza la necessità di una fonte di alimentazione esterna. Un nuovo importante passo verso quella che alcuni chiamano “Intelligent Era”.

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