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Una pelle elettronica eco-friendly, ricaricabile e riciclabile

I dispositivi indossabili del futuro puntano a diventare una "seconda pelle" altamente tecnologica

Categorie Biomateriali · Dispositivi indossabili · Innovazione

Un gruppo di ricercatori dell’Università del Colorado a Boulder, negli Stati Uniti, ha sviluppato un prototipo di dispositivo elettronico indossabile (wearable electronic device) “davvero indossabile”, che si ispira e aderisce alla pelle umana. Questa sorta di pelle elettronica consiste in un circuito stampato elastico che combina i progressi nell’ambito dei materiali, della chimica e della meccanica per consentire al dispositivo una maggiore elasticità, autoriparazione, riciclabilità e riconfigurabilità.

Le applicazioni della pelle elettronica: dal monitoraggio alla realtà virtuale aumentata

Il team, guidato da Jianliang Xiao e Wei Zhang, descrive il dispositivo in un articolo pubblicato su “Science Advances”. Tra tutte le interessanti applicazioni, la pelle elettronica può svolgere molto funzioni utili quali il monitoraggio dell’attività fisica e della salute, la somministrazione di farmaci, l’interfaccia uomo-macchina e una realtà virtuale aumentata.

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Il dispositivo elettronico indossato al polso. Photo credit: Chuanqian Shi, University of Colorado, Boulder

L’AG (“augmented reality” o realtà aumentata) è una tecnologia che sfrutta un display, che sia un vetro, un paio di occhiali o lo schermo di uno smartphone, per aggiungere informazioni e contenuti multimediali alla realtà che ci circonda e che osserviamo. Un dispositivo elettronico che aderisce più facilmente alle superfici curve della pelle, come quello ideato dal team di ricercatori dell’Università del Colorado, può fornire all’utente dati e informazioni con continuità e si comporta come se fosse, per l’appunto, una “seconda pelle”, in modo tale da rendere maggiormente fruibili informazioni aggiuntive sovrapposte alla realtà che ci circonda per potenziare lo scenario tecnologico della realtà aumentata.

“Se vuoi indossarlo come un orologio, puoi metterlo al polso” dichiara Xiao, professore associato presso il Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering dell’Università del Colorado, “se vuoi indossarlo come una collana puoi metterlo al collo”. Per garantire simultaneamente conformità meccanica e prestazioni elettriche sono state sviluppate tecniche che combinano substrati estensibili, interconnessioni e componenti di chip commerciali rigidi, inclusi assemblaggi microfluidici morbidi, piattaforme saldabili ed estensibili e sistemi basati su metallo liquido (LM).

Quest’ultimi stanno emergendo nel campo della ricerca come promettenti alternative per costruire dispositivi avanzati di accumulo di energia, grazie alle loro proprietà come la deformabilità intrinseca, l’elevata conducibilità elettronica e le proprietà elettrochimiche superiori. L’interconnessione elettrica tra i chip è costituita proprio dal sistema LM, e i pin di ciascun chip sono montati precisamente sui pad di contatto LM (simili ai PCB ma senza la necessità di essere saldati).

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(A) Illustrazione schematica di un sistema elettronico indossabile multifunzionale montato sulla mano che integra un sistema di rilevamento ECG, acustico, di movimento e di temperatura; (B) vista esplosa del sistema elettronico indossabile; (C) Immagini ottiche del dispositivo che viene stropicciato, piegato, attorcigliato e allungato sulla pelle. (E) Illustrazione schematica del processo di auto-ricostituzione e del riciclaggio del dispositivo elettronico. Photo credit: Chuanqian Shi, University of Colorado, Boulder.

Un materiale sintetico in grado di essere rigenerabile, ricaricabile e anche riciclabile: la polimmina

Un tema che ha particolarmente toccato i ricercatori è la grande quantità di rifiuti elettronici prodotti che nel 2021 si stima che raggiungerà 52,2 milioni di tonnellate: considerando il fatto che la maggior parte di questi rifiuti non può essere adeguatamente riciclato, si ha la conseguenza di avere nell’ecosistema anche metalli pesanti e altre sostanze pericolose che causano gravi problemi sia all’ambiente che alla salute dell’uomo.

Prendendo seriamente in considerazione questo aspetto, i ricercatori hanno voluto dare il loro un contributo su questa tematica sfruttando per la realizzazione del loro dispositivo un materiale sintetico altamente elastico, la polimmina, in grado di essere rigenerabile, ricaricabile e anche riciclabile.

In particolare, hanno realizzato la pelle elettronica sfruttando la polimmina modificata chimicamente con tre monomeri disponibili sul mercato (tereftalaldeide, 3,3’-diammino-N-metildipropilammina e tris(2-amminoetil)ammina: le polimmine si formano attraverso la condensazione di quantità equimolari di gruppi amminici e aldeidici (polimerizzazione a gradini). La polimmina reticolata rappresenta una nuova classe di reti covalenti adattabili (CANs) che mostra riparabilità a temperatura ambiente, malleabilità senza catalizzatore, riciclabilità e proprietà meccaniche robuste.

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Il futuro dei rifiuti elettronici. Photo credit: UNU, 2018; OECD, 2018; E-waste Monitor 2017

I chip del sistema elettronico forniscono rilevamento e monitoraggio ad alte prestazioni del corpo umano, compreso il rilevamento del movimento fisico, il monitoraggio della temperatura e il rilevamento dei segnali acustici ed elettrocardiografici (ECG). Il tutto come si trattasse di una vera pelle, per cui in base a dove viene posto il dispositivo elettronico indossabile vengono effettuati specifici rilevamenti: ad esempio, se posizionato sulla gola il sensore acustico può recepire le caratteristiche di vibrazione delle corde vocali e agire come se fosse un’interfaccia uomo-macchina.

Per garantire una maggiore elasticità al dispositivo indossabile, è essenziale disporre di substrati polimerici sufficientemente elastici e di conduttori altamente estensibili. In particolare, per quanto riguarda il conduttore LM (formato da una lega metallica costituita da gallio (75%) e da indio al (25%) che è liquida a temperatura ambiente) esso può essere allungato limitatamente all’incapsulamento del polimero, mentre le interconnessioni LM hanno il beneficio di restare robuste ed affidabili anche sotto sforzo meccanico.

È stato dimostrato che la pelle elettronica può essere allungata del 60% uniassialmente in entrambe le direzioni verticale ed orizzontale e biassialmente del 30%, senza influire sulle proprie prestazioni di rilevamento attraverso l’intero circuito. Le sollecitazioni massime nei componenti del chip sono inferiori allo 0,01%, una differenza notevole rispetto a quelle del silicio che sono ~1%.

Il dispositivo è in grado di rigenerarsi autonomamente

I chip del dispositivo elettronico sono interconnessi da circuiti LM intrinsecamente estensibili e robusti, incapsulati da una matrice dinamica covalente termoindurente di polimmina. È proprio grazie alle reazioni che avvengono nella rete di polimmina, insieme alla fluidità del sistema LM, che la pelle elettronica riesce a ripararsi autonomamente dai danni subiti.

Evidenze sperimentali mostrano che, quando il circuito LM viene danneggiato con una lametta, il segnale ECG viene perso; dopo aver premuto leggermente i due lati relativamente alla posizione di taglio, il conduttore LM si auto-ricostituisce e il sensore ECG riacquista la sua originaria capacità di rilevamento del segnale. Dopo 13 minuti dall’inizio del processo di ricostituzione, il taglio diventa otticamente invisibile, anche al microscopio ottico. Dopo 48 ore, invece, le reazioni di scambio di legame all’interfaccia portano alla riformazione di legami covalenti sufficienti e ad un’efficace ricostituzione interfacciale. La resistenza meccanica dell’interfaccia guarita è paragonabile alla polimmina originale, pertanto il dispositivo elettronico rigeneratosi può essere allungato del 60% e le prestazioni di rilevamento non vengono influenzate.

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Processo di rigenerazione del circuito dopo il taglio. Photo credit: Chuanqian Shi, University of Colorado, Boulder

È possibile accelerare il processo di ricostituzione a temperatura ambiente: in particolare, introducendo una massa di 1000g, il tempo di ricostituzione può essere ridotto a 13 minuti. Per confermare ancora questa capacità di rigenerazione del dispositivo, è stato ripetuto cinque volte il processo di taglio e autoriparazione nella stessa posizione del conduttore LM incapsulato nella rete di polimmina ed è stato evidenziato che, dopo queste cinque ripetizioni, il dispositivo può essere allungato del 100%.

Come avviene più precisamente il processo di riciclo della pelle elettronica?

Come già enunciato, il dispositivo ha la capacità di ricostituirsi e la procedura può essere accelerata applicando sullo stesso della pressione a temperatura ambiente. Nel caso in cui il dispositivo, però, sia gravemente danneggiato oppure lo si voglia interamente riciclare, esso va immerso nella soluzione di riciclaggio: quest’ultima può essere preparata mescolando i reagenti 3,3’-diammino-N-metildipropilammina e tris(2-amminoetil)ammina in una soluzione a base di metanolo.

Immergendo il dispositivo nella soluzione di riciclaggio per 47 minuti, attraverso reazioni di transiminazione si ottiene la depolimerizzazione della rete di polimmina in oligomeri/monomeri come rappresentato in figura 5, che si disciolgono nel metanolo. Invece, i componenti del chip e del circuito LM affondano sul fondo del contenitore e possono essere facilmente separati dal resto della soluzione, utilizzando un semplice filtro di carta. Se si aggiunge una quantità appropriata di tereftalaldeide, in modo tale da riequilibrare i rapporti stechiometrici tra i reagenti di ammina e di aldeide, la soluzione riciclata insieme ai componenti del chip e LM possono essere interamente riutilizzati per ricostituire un nuovo dispositivo multifunzionale.

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Illustrazione schematica della polimmina termoindurente covalente dinamica: processo di polimerizzazione e depolimerizzazione e reazione di scambio di legame indotta da rottura e ricostituzione del legame. Photo credit: Chuanqian Shi, University of Colorado, Boulder

Conclusioni

Questo lavoro di ricerca può trovare applicazioni in molte aree, tra cui assistenza sanitaria, protesi, robotica e interfacce uomo-computer. Inoltre, il dispositivo può simulare tante funzionalità comuni ai dispositivi indossabili per fitness, con notevoli vantaggi a partire da una maggiore aderenza alla pelle, per arrivare alle sue capacità ricostitutive. Una sfida ingegneristica che punta al risparmio sia dal punto di vista economico ma soprattutto energetico, andando verso un futuro orientato al riciclo e alla riduzione della quantità dei rifiuti derivanti da apparecchiature elettriche ed elettroniche.

Articolo a cura di Sara Kasa.