Sommario
Il mondo accelera rapidamente verso l’era intelligente, caratterizzata da una maggiore automazione e interconnettività grazie a tecnologie come l’intelligenza artificiale e la robotica. In questo contesto, i sensori rappresentano un’interfaccia essenziale tra umani, macchine e ambiente.
Tuttavia, con l’aumento della flessibilità dei robot e l’integrazione dei dispositivi indossabili nella nostra vita quotidiana, i tradizionali sensori a base di silicio non sono più sufficienti per molte applicazioni. Di conseguenza, i sensori flessibili, che offrono maggiore comfort e versatilità, sono diventati un’area di studio molto attiva. I sensori piezoelettrici, in particolare, sono cruciali in quanto possono convertire lo stress meccanico e l’allungamento in un segnale elettrico. Nonostante numerosi approcci promettenti, mancano metodi sostenibili per la produzione di massa di sensori piezoelettrici flessibili ad alte prestazioni a basso costo.
Un team di ricerca dell’Università di Shinshu, Giappone, ha affrontato questa sfida migliorando il design dei sensori piezoelettrici flessibili utilizzando una tecnica di produzione consolidata: l’elettrofilatura. Lo studio, guidato dal Professore Distinto Ick Soo Kim in collaborazione con Junpeng Xiong, Ling Wang, Mayakrishnan Gopiraman e Jian Shi, è stato pubblicato il 2 maggio 2024 sulla rivista Nature Communications.
Progettazione di sensori flessibili avanzati
Il design del sensore flessibile proposto prevede l’elettrofilatura graduale di una membrana nanofibrosa composita bidimensionale. In primo luogo, vengono filate nanofibre di polivinilidene fluoruro (PVDF) con diametri dell’ordine di 200 nm, formando una rete uniforme e robusta che funge da base per il sensore piezoelettrico. Successivamente, nanofibre di PVDF ultrafini con diametri inferiori a 35 nm vengono filate sulla base preesistente. Queste fibre si intrecciano automaticamente tra gli spazi della rete di base, creando una topologia 2D particolare.
Caratteristiche dei sensori flessibili
Dopo la caratterizzazione tramite esperimenti, simulazioni e analisi teoriche, i ricercatori hanno scoperto che la rete composita di PVDF risultante aveva un’orientazione migliorata dei cristalli beta. Migliorando questa fase polare, responsabile dell’effetto piezoelettrico osservato nei materiali PVDF, le prestazioni piezoelettriche dei sensori sono state significativamente migliorate. Per aumentare ulteriormente la stabilità del materiale, i ricercatori hanno introdotto la dopamina (DA) durante il processo di elettrofilatura, creando una struttura protettiva a nucleo-guscio.
“Il sensore fabbricato utilizzando membrane composite di PVDF/DA ha mostrato prestazioni eccezionali, 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 di 0-4 N e un’eccellente durabilità operativa,” osserva Kim. Queste qualità eccezionali sono state dimostrate praticamente utilizzando sensori indossabili per misurare una vasta gamma di movimenti e azioni umane, come il battito delle dita, la flessione del ginocchio e del gomito, il pestare i piedi e persino parlare e i polsi.
Implicazioni Tecnologiche e Futuro
Data la potenziale produzione di massa a basso costo di questi sensori piezoelettrici, combinata con l’uso di materiali organici ecocompatibili invece di inorganici dannosi, questo studio potrebbe avere importanti implicazioni tecnologiche non solo per il monitoraggio della salute e la diagnostica, ma anche per la robotica. “Nonostante le sfide attuali, i robot umanoidi sono destinati a svolgere un ruolo sempre più integrale nel prossimo futuro. Ad esempio, il noto robot Tesla ‘Optimus’ può già imitare i movimenti umani e camminare come un essere umano,” riflette Kim. “Considerando che i sensori ad alta tecnologia vengono attualmente utilizzati per monitorare i movimenti dei robot, i nostri sensori piezoelettrici superiori basati su nanofibre hanno molto potenziale non solo per monitorare i movimenti umani, ma anche nel campo della robotica umanoide.”
Per facilitare l’adozione di questi sensori, il team di ricerca si concentrerà sul miglioramento delle proprietà elettriche del materiale in modo che i componenti elettronici flessibili possano essere alimentati senza la necessità di una fonte di alimentazione esterna. Si spera che ulteriori progressi in questo campo accelerino il nostro cammino verso l’era intelligente, portando a vite più confortevoli e sostenibili.
