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Skin elettrica che rivaleggia con la realtà
La sensibilità tattile della pelle umana è difficile da ricreare, soprattutto su superfici ampie e flessibili. Ma due gruppi di ricerca della California hanno realizzato dispositivi di rilevamento della pressione che fanno avanzare in modo significativo lo stato dell'arte.
Pelle sensibile: Un nuovo sensore tattile può rilevare il tocco delicato di un insetto che scende.
Uno, realizzato dai ricercatori della Stanford University, si basa sull'elettronica organica ed è 1.000 volte più sensibile della pelle umana. Il secondo, realizzato dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley, utilizza array integrati di transistor a nanofili e richiede pochissima energia. Entrambi i dispositivi sono flessibili e possono essere stampati su ampie aree; sono descritti questa settimana in articoli separati sulla rivista Materiali della natura .
Le superfici altamente sensibili potrebbero aiutare i robot a raccogliere oggetti delicati senza romperli, dare alle protesi un senso del tatto e dare ai chirurghi un controllo più preciso sugli strumenti utilizzati per la chirurgia minimamente invasiva. Il nostro obiettivo è imitare la pelle umana, afferma Zhenan Bao , professore di ingegneria chimica a Stanford. La pelle umana risponde rapidamente alla pressione e può rilevare oggetti piccoli come un granello di sabbia e leggeri come un insetto.
Il nucleo del dispositivo di Bao è costituito da un polimero contenente silicio trasparente chiamato PDMS. La capacità di questo materiale di immagazzinare la carica è direttamente correlata al suo spessore. Alcuni anni fa, i ricercatori guidati da Takao Someya presso l'Università di Tokyo ha sfruttato questa proprietà, utilizzando PDMS come strato isolante in transistor organici flessibili che fungevano da sensori di pressione. Ma questi sensori erano limitati: quando vengono compresse, le molecole PDMS cambiano conformazione e impiegano tempo per tornare al loro stato originale.
Bao ha affrontato questo problema modellando il materiale polimerico con matrici di micropilastri che si elevano dalla superficie tangibile. Questo design consente al materiale di flettersi e tornare rapidamente alla sua forma originale, il che significa che è possibile effettuare misurazioni della pressione in rapida successione. La microstrutturazione migliora anche la sensibilità del dispositivo. La pressione più delicata che la pelle umana può rilevare è di circa un kilopascal; I dispositivi di Bao sono in grado di rilevare pressioni 1.000 volte più delicate.
Questo approccio può essere utilizzato per realizzare materiali flessibili con tecniche di stampa poco costose, ma il dispositivo risultante richiede alte tensioni per funzionare. Ali Javey , professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Berkeley, ha costruito sensori tattili a bassa potenza basati su matrici di transistor a nanofili inorganici. I transistor sono disposti sotto e collegati a uno strato di gomma conduttiva disponibile in commercio che contiene nanoparticelle di carbonio. Quando la gomma viene compressa, la sua resistenza elettrica cambia e questa può essere rilevata dai transistor. I nanofili vengono utilizzati come elettronica attiva per far funzionare il sensore tattile sulla parte superiore, spiega.
I transistor nanowire offrono un funzionamento a bassa tensione e velocità di commutazione elevate in una superficie flessibile. Mentre i dispositivi di Bao richiedono circa 20 volt per funzionare, quelli di Javey richiedono meno di cinque volt.
Javey ha realizzato array di sensori di circa 50 centimetri quadrati. Bao ha costruito schiere circolari di poco più di 10 centimetri di diametro. Entrambi i ricercatori affermano che le dimensioni dei loro dispositivi sono limitate solo dagli strumenti in laboratorio: nel caso di Javey, la dimensione della stampante a contatto e, nel caso di Bao, la dimensione dello stampo utilizzato per modellare il PDMS.
La pelle artificiale potrebbe offrire grandi vantaggi per la manipolazione robotica, afferma Matei Ciocarlie , ricercatore presso Willow Garage, una società di robotica personale con sede a Menlo Park, in California. Quando un robot sta manipolando un oggetto, quell'oggetto può spesso essere nascosto da telecamere e altri sensori, quindi il rilevamento tattile può fornire un feedback utile. Il rilevamento del tocco può anche aiutare i robot a evitare gli ostacoli e a localizzare oggetti in ambienti difficili. La pelle artificiale deve essere in grado di coprire superfici ampie e irregolari sul robot, avere un'adeguata sensibilità e gamma dinamica, tutte sfide altamente significative che queste nuove tecnologie promettono di affrontare, afferma Ciocarlie.
I nuovi dispositivi electronic-skin rappresentano un notevole progresso nello stato dell'arte in termini di consumo energetico e sensibilità, afferma Giovanni Boland , professore di chimica al Trinity College dell'Università di Dublino. Il vero progresso, tuttavia, si sta spostando da una geometria piatta a un dispositivo flessibile che potrebbe essere utilizzato per creare qualcosa a forma di dito umano, dice.
Gli strumenti chirurgici dotati di sensori tattili molto sensibili potrebbero dare ai medici un controllo migliore su quanta forza usano durante gli interventi chirurgici minimamente invasivi. E la pelle elettronica flessibile di ampia area potrebbe conformarsi alle curve dei futuri dispositivi protesici. Le protesi di oggi sono rozze: possono afferrare ma non fornire feedback tattili, osserva Boland.