I meccanocettori nella pelle umana possono percepire il peso delicato di una farfalla, sentire il calore di una vicina fiamma o di una bevanda fresca, capire se una mano è alzata in un pugno o un segno di pace e contare il polso di una persona cara con un leggero tocco.
Gli ingegneri desiderosi di creare una pelle elettronica artificiale sono stati finora in grado di modellare materiali morbidi e flessibili che imitano ciascuno di questi straordinari sensi, ma non hanno mai creato un singolo strato con materiali simili alla pelle che possano parlare direttamente al cervello.
I ricercatori dell’Università di Stanford per comunicare con il cervello, ora hanno prodotto circuiti integrati morbidi che convertono la pressione o la temperatura rilevate in segnali elettrici simili agli impulsi nervosi. Si tratta di una svolta significativa, poiché gli sforzi precedenti richiedevano un’elettronica rigida per convertire il segnale rilevato in impulsi elettrici leggibili dal cervello.
I ricercatori sperano che un giorno quei segnali possano essere diretti a chip di comunicazione wireless impiantati nel nervo periferico per consentire agli amputati di controllare gli arti protesici; altri potenziali usi potrebbero includere dispositivi medici impiantabili o indossabili di nuova generazione.
Zhenan Bao, professoressa di ingegneria chimica presso la Stanford University, autrice principale dello studio pubblicato nella rivista Science, ha affermato:
«Lavoriamo da tempo a una pelle elettronica monolitica. L’ostacolo non era tanto trovare meccanismi che imitassero le notevoli capacità sensoriali del tatto umano, ma metterle insieme usando solo materiali simili alla pelle».
Weichen Wang, dottorando nel laboratorio di Zhenan Bao, ha lavorato a questo prototipo per 3 anni, ha affermato:
«Gran parte della sfida è consistita nel far progredire i materiali elettronici simili alla pelle, in modo da poterli incorporare in circuiti integrati con una complessità sufficiente a generare treni di impulsi simili a quelli dei nervi e con una tensione operativa sufficientemente bassa da poter essere utilizzata in modo sicuro sul corpo umano».
Strati di tecnologia
L’obiettivo era un circuito integrato morbido che potesse imitare il meccanismo dei recettori sensoriali e funzionare in modo efficiente a bassa tensione. I primi tentativi di Weichen Wang purtroppo richiedevano una tensione di 30 o più volt e non riuscivano a realizzare una sufficiente funzionalità del circuito.
Weichen Wang ha dichiarato:
«Questa nuova pelle elettronica funziona con soli 5 volt ed è in grado di rilevare stimoli simili a quelli della pelle reale».
La pelle artificiale sarà fondamentale per gli arti protesici di nuova generazione, non solo ripristinano il movimento e le funzioni, come la presa, ma forniscono anche un feedback sensoriale (propriocezione) che aiuta l’utente a controllare il dispositivo con precisione, non solo, ma lo stesso materiale della pelle sensoriale deve allungarsi e ripristinarsi senza problemi, più e più volte, senza mai perdere le sue caratteristiche elettriche simili a quelle dei nervi.
Il team di ricercatori ha inventato una struttura dielettrica a tre strati che ha contribuito ad aumentare di 30 volte la mobilità dei portatori di carica elettrica, rispetto a un dielettrico a singolo strato, consentendo ai circuiti di funzionare a bassa tensione. È interessante notare che uno degli strati del tri-strato è il nitrile, la stessa gomma utilizzata nei guanti chirurgici.
La maggior parte dell’e-skin è costituita da molti strati di materiali simili alla pelle, in ogni strato sono integrate reti di nanostrutture organiche che trasmettono segnali elettrici anche quando sono allungate, queste reti possono essere progettate per rilevare la pressione, la temperatura, la tensione e le sostanze chimiche.
Ogni input sensoriale ha un proprio circuito integrato, i vari strati sensoriali devono essere uniti in un unico materiale monolitico che non si deformi, non si strappi e non perda la funzione elettrica. Ogni strato elettronico ha uno spessore di poche decine o centinaia di nanometri e il materiale finito di una mezza dozzina di strati è inferiore a un micron.
Zhenan Bao ha detto:
«È uno strato troppo sottile per essere maneggiato facilmente, quindi usiamo un substrato per sostenerlo, che porta la nostra e-skin a circa 25-50 micron di spessore, circa lo spessore di un foglio di carta. Si tratta di uno spessore simile a quello dello strato esterno della pelle umana».
Progressi di nuova generazione
E-skin il sistema di pelle artificiale è il primo a combinare il rilevamento e tutte le caratteristiche elettriche e meccaniche desiderate della pelle umana, in una forma morbida e resistente che potrebbe essere utilizzata nelle pelli protesiche di prossima generazione e nelle innovative interfacce uomo-macchina per fornire un senso del tatto simile a quello umano.
Zhenan Bao, Weichen Wang e il team di ricercatori, completato il prototipo, ora stanno cercando di aumentare la complessità e la scalabilità della loro tecnologia, aggiungendo funzionalità wireless e modi per interfacciarsi con il cervello e la parte periferica del corpo.
