Sensibili, ma resistenti: queste le caratteristiche che rendono ottimali e pienamente funzionali i sensori estensibili. Rendere compatibili le due proprietà è complesso, ma i ricercatori dell’Università di Harvard hanno centrato l’obiettivo realizzando una tecnologia ad alta sensibilità ma anche ad alta resilienza, incorporabile in tessuti o sistemi robotici mobili.
Il team della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences e del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ha infatti saputo ovviare al problema della fragilità tipica dei sensori più potenti. E per il design della sua scoperta si è ispirato allo Slinky: la nota molla giocattolo a spirale estensibile.
“Abbiamo iniziato con un materiale sfuso rigido, in questo caso fibra di carbonio, e l’abbiamo modellato in modo tale che il materiale diventasse elastico” spiega Oluwaseun A. Araromi, ricercatore associato in scienza dei materiali e ingegneria meccanica e primo autore dell’articolo. Le fibre conduttive di carbonio sono state collocate dai ricercatori tra due substrati elastici.
Come le spirali dello Slinky si allontanano nel momento in cui si tirano le estremità, così la conduttività del sensore muta quando i bordi della fibra di carbonio perdono contatto fra di loro. La sensibilità del prodotto è tale da generare il fenomeno anche sotto azione di sforzi ridotti. Il sensore è stato incorporato in una manica di tessuto e sottoposto ad alcuni test: sono bastati movimenti minimi dei muscoli dell’avambraccio affinché i gesti compiuti venissero registrati dagli algoritmi di apprendimento automatico.
In questi sensori l’alta sensibilità si accompagna anche a una resistenza mai ottenuta prima. La straordinaria robustezza è stata comprovata sottoponendo il sensore a lavaggi multipli in lavatrice, colpi di martello, tagli effettuati col bisturi e, addirittura, investimenti con l’auto. Nulla ha scalfito l’oggetto creato dal team di Harvard: un vantaggio significativo.
Robert J. Wood, professore di ingegneria e scienze applicate presso Harvard SEAS e autore senior dello studio, evidenzia inoltre come il grado di innovazione del sensore non dipenda solo alle qualità di sensibilità e resistenza, ma anche da un terzo fattore. Ulteriore aspetto cruciale della tecnologia realizzata è infatti il basso costo dei materiali e dei metodi di assemblaggio con cui è stata realizzata.
I sensori estensibili del team di Harvard possono essere realizzati con qualsiasi materiale conduttivo, a differenza di quanto avviene con quelli attualmente esistenti, che esigono materiali e tecniche di produzioni speciali. Un potenziale che potrebbe agevolare l’applicazione della scoperta in molti ambiti, dalle simulazioni di realtà virtuale all’abbigliamento sportivo, passando dalla diagnostica di malattie neurodegenerative quali in Parkinson.
This ultra-sensitive, resilient sensor could be used in Minority Report-like smart gloves for virtual reality: https://t.co/OJ1KWe2MJG @nature @wyssinstitute pic.twitter.com/6nwikbn0a8
— Harvard SEAS (@hseas) November 17, 2020
Coautori della ricerca pubblicata su Nature: Moritz A. Graule, Kristen L. Dorsey, Sam Castellanos, Jonathan R. Foster, Wen-Hao Hsu, Arthur E. Passy, James C. Weaver e Joost J. Vlassak, Conor J. Walsh.