Super soldati

Alla fine dell'anno scorso l'esercito degli Stati Uniti è andato a comprare delle nuove uniformi. Non era interessato a tute mimetiche e drappeggi verde oliva o anche a versioni migliori dell'equipaggiamento high-tech indossato dalle truppe in Afghanistan. Ciò che l'esercito voleva era un'uniforme da combattimento leggera in grado di fermare proiettili e tossine, monitorare la salute di un soldato, comunicare con comandanti remoti, persino consentire una forza sovrumana. Ma nonostante la stravaganza di quella visione, e anche se cercavano aiuto da istituti di ricerca accademici, i funzionari dell'esercito hanno reso chiaro un altro desiderio chiave. Come ricorda lo scienziato dei materiali del MIT Edwin Thomas, non volevano solo documenti in Scienza o Natura . Volevano cose vere.

Le cose reali sono esattamente ciò che i ricercatori del MIT hanno presentato lo scorso gennaio a una squadra dell'esercito in visita. L'ingegnere meccanico Ian Hunter ha riprodotto un video di un pezzo di nastro nero che si contrae, un muscolo artificiale in espansione e in contrazione che potrebbe, in un'uniforme da combattimento, formare un laccio emostatico o aumentare la forza delle gambe. Lo scienziato dei materiali Yoel Fink ha mostrato alcuni luccicanti fili ottici in grado di riflettere e assorbire diverse lunghezze d'onda della luce con grande specificità, una proprietà che potrebbe essere sfruttata per la comunicazione a infrarossi remota che potrebbe, ad esempio, consentire ai soldati di identificarsi silenziosamente con gli alleati di notte. I membri della facoltà hanno spiegato il funzionamento di un sensore microscopico che il chimico del MIT Tim Swager aveva costruito, largo poche molecole, in grado di annusare il respiro di un soldato alla ricerca di segni chimici di stress.

Questa storia faceva parte del nostro numero di ottobre 2002

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Forza

Uno degli obiettivi principali del nuovo istituto è creare un'uniforme da combattimento che abbia una forza incorporata: la forza per aiutare un soldato a sollevare oggetti pesanti, a pompare fluidi di raffreddamento attraverso canali incorporati o a irrigidirsi attorno a una ferita sanguinante. Il nastro nero tremante di Hunter è una prima indicazione che i nanomateriali potrebbero essere in grado di fornire quel tipo di forza.

Il nastro è costituito da un polimero elettroattivo che può muoversi o cambiare forma in risposta a un segnale elettrico. I ricercatori hanno a lungo immaginato di utilizzare questi polimeri, che possono essere 100 volte più forti dei muscoli umani, come muscoli artificiali. Ma finora si sono dimostrati poco pratici come macchine muscolose, soprattutto perché i loro movimenti sono relativamente lenti e anche perché sono stati in grado di contrarsi o espandersi solo di una piccola percentuale della loro lunghezza. Il muscolo umano può contrarsi ed espandersi del 20 percento.

Nei laboratori di Hunter e Swager, tuttavia, i ricercatori hanno recentemente lavorato insieme per fare grandi passi avanti verso un materiale con una gamma di movimento sufficiente per essere utile. La chiave è una serie di molecole che funzionano come aste e cardini. Ruotando sulle cerniere, le aste si respingono o si attraggono quando viene applicata o rimossa una carica. Attaccando milioni di queste aste e cerniere da un capo all'altro come i segmenti di un righello pieghevole, i ricercatori sono stati in grado di creare polimeri che si allungano e si accorciano in risposta a stimoli elettrici (vedi Muscolo molecolare, sotto) . Un film fatto di questi polimeri produce movimenti simili a muscoli. Negli ultimi mesi, afferma Hunter, abbiamo raddoppiato il raggio di movimento, avvicinandoci a quello delle cellule muscolari umane.

Muscolo molecolare

Un polimero che si contrae e si espande tanto quanto il muscolo umano utilizza cardini e bastoncelli molecolari. Le aste si respingono e si attraggono quando una carica viene applicata (in alto) e rimossa (in basso). (Illustrazione di John MacNeill)

Quell'aumento di quanto il polimero può espandersi e contrarsi, combinato con la sua impressionante forza - che i ricercatori non hanno ancora misurato ma prevedono che sia dieci volte quella del muscolo umano - potrebbe in teoria consentire un'uniforme da combattimento incorporata con 1,4 chilogrammi di materiale sollevare 80 chilogrammi a un metro di altezza. In altre parole, un soldato potrebbe sollevare senza sforzo un pezzo di equipaggiamento pesante o anche un compagno caduto. Il problema: questo richiederebbe almeno un minuto, afferma John Madden, un ingegnere elettrico dell'Università della British Columbia a Vancouver, che fino a poco tempo fa era a capo della ricerca sui polimeri elettroattivi nel laboratorio di Hunter.

Dare velocità utile a questi polimeri elettroattivi è il prossimo ostacolo. Sarà necessario ridurre la resistenza elettrica dei materiali, quindi una carica applicata può svolgere il suo lavoro più rapidamente. I ricercatori intendono ridurre la resistenza incorporando nanotubi di carbonio, lunghe molecole simili a tubi, nelle generazioni future dei materiali. Alcune versioni di nanotubi di carbonio sono eccellenti conduttori elettrici che potrebbero fornire la carica in tutto il materiale molto più rapidamente. I gruppi Hunter e Swager sperano di realizzare muscoli artificiali veloci quanto i muscoli umani in cinque anni.

Integrare il materiale muscolare con il resto della tuta del soldato è la sfida più grande. I polimeri elettroattivi necessitano, ad esempio, di essere cablati in un sistema di distribuzione e segnalazione dell'energia; il cablaggio convenzionale è semplicemente troppo rigido per il compito di agganciare un materiale che si contorce e si flette. Così, nell'ultimo anno, Hunter e i suoi collaboratori hanno sviluppato fili simili a nastri fatti di polimeri flessibili conduttori di elettricità. Invece di fili di rame rigidi che entrano nel tessuto polimerico', avremo fili simili a tessuti che entrano nel tessuto, afferma Hunter.

Comunicazione

Saranno necessarie altre tecnologie per consentire alla tuta di comunicare con il mondo esterno. All'inizio di quest'anno, Fink del MIT ha annunciato lo sviluppo di fili polimerici rivestiti che potrebbero essere la cosa giusta, consentendo una comunicazione silenziosa con alleati o comandanti remoti attraverso l'uso della luce visibile o infrarossa.

I fili di Fink sono in grado di riflettere o assorbire selettivamente diverse lunghezze d'onda della luce, grazie al loro rivestimento, che incorpora numerosi strati ultrasottili di due materiali trasparenti: uno organico, l'altro inorganico. I due materiali rallentano la luce a velocità diverse. Nel conseguente tripudio di riflessioni all'interno di quegli strati, alcune lunghezze d'onda vengono fortemente riflesse dalla fibra e altre vengono annullate. Solo quali lunghezze d'onda vengono riflesse dipende dallo spessore degli strati, che può variare da 100 a 1.000 nanometri e può essere controllato con precisione.

Mentre la maggior parte dei ricercatori di fotonica sta lavorando su chip e altri gadget per le telecomunicazioni ottiche, il gruppo di Fink è il primo a costruire un filo fotonico che potrebbe essere trasformato in un tessuto, afferma Eli Yablonovitch, un ingegnere elettrico presso l'Università della California, Los Angeles, e un pioniere nei materiali ottici. Un possibile utilizzo per questi fili: una porzione di un'uniforme da combattimento che riflette fortemente una specifica firma della luce infrarossa ambientale. Durante la confusione di uno scontro a fuoco notturno, ad esempio, un tale codice a barre ottico potrebbe identificare un soldato come amico di compagni di truppa dotati di occhiali per la visione notturna sintonizzati sulla giusta luce riflessa. E il team di Fink vorrebbe anche trovare un modo per mettere a punto questi materiali al volo, in modo che la lunghezza d'onda possa essere cambiata elettricamente (e da remoto) nel caso in cui un nemico mettesse le mani su un'uniforme.

Ciò rappresenta una sfida speciale, afferma Yablonovitch. Ci sono molte soluzioni. Solo niente di buono. Hanno il loro bel da fare per renderlo pratico per l'esercito, dice.

Per ora, il gruppo di Fink sta portando avanti diversi approcci per rendere sintonizzabili le fibre ottiche. Una strategia prevede la creazione di una sorta di rastrelliera per allungare le fibre. La tensione assottiglierebbe gli strati, modificando la lunghezza d'onda riflessa (vedi Regolazione fine, sotto) . Un secondo approccio sfrutta il fatto che uno dei materiali negli strati-triseleniuro di arsenico-rallenta la luce con velocità diversa in presenza di un campo elettrico; cambi il campo e cambi il riflesso di tutta la fibra. Questi approcci, afferma Fink, potrebbero produrre una fibra sintonizzabile entro due anni.

Ritocchi

Una sezione trasversale mostra gli strati esterni di materiali ottici che rivestono un filo polimerico. Lo spessore degli strati determina il modo in cui la luce viene riflessa.

Prima: Se la lunghezza d'onda è diversa dallo spessore degli strati, la luce può attraversarla.

A seguito di: L'allungamento del filo potrebbe assottigliare gli strati in modo che la loro larghezza corrisponda alla lunghezza d'onda del rosso. Ad ogni confine tra gli strati, una parte della luce rossa verrebbe riflessa (linea spezzata) e una parte continuerebbe.

Protezione

Naturalmente, il compito principale dell'uniforme è quello di proteggere il soldato, e la capacità di saltare dal pericolo o di annunciarsi silenziosamente agli alleati lo farebbe indirettamente. Ma la visione dell'esercito è di una tuta che fornirebbe anche una protezione diretta contro tutto, dai proiettili all'antrace. La protezione balistica migliorata è per lo più teorica a questo punto, ma alcuni strumenti molto reali contro gli attacchi biologici e chimici sono già in mano.

Una di queste tecnologie si basa su molecole polimeriche altamente ramificate chiamate dendrimeri. Modificando le estremità dei rami di un dendrimero in modo che ciascuno di essi si attacchi a una molecola pericolosa e la renda innocua, i ricercatori dell'esercito hanno già creato una sostanza protettiva con un grande potere assorbente per il suo peso. Ma finora, sono stati in grado di utilizzare la sostanza solo mescolandola in una crema simile alla crema solare. Il problema con l'aggiunta di questa tecnologia all'abito di un soldato è che i dendrimeri non si attaccano facilmente l'uno all'altro e quindi sono difficili da formare in un materiale stabile che resiste all'abuso di un campo di battaglia e di una lavatrice.

Per aiutare a creare un materiale più robusto, l'ingegnere chimico del MIT Paula Hammond ha progettato dendrimeri con la coda. Queste code, parecchie volte più lunghe dei rami dei dendrimeri, tendono ad aggrovigliarsi tra loro, mantenendo le molecole legate insieme senza impedire ai rami di svolgere il loro lavoro. È come un esteso apparato radicale per una foresta di alberi molecolari e potrebbe consentire ai dendrimeri ancorati di creare un film protettivo resistente. Queste tecnologie sono solo in erba in questo momento. Possiamo prenderli e iniziare a incorporarli in tessuti e rivestimenti, dice Hammond.

I ricercatori del MIT stanno anche lavorando a tecnologie che potrebbero aiutare a monitorare la salute di un soldato da remoto, indipendentemente dai rischi che potrebbe incontrare. I sensori integrati che rilevano i cambiamenti nella chimica del corpo, ad esempio, potrebbero aiutare a determinare se un soldato caduto è gravemente ferito o può aspettare i soccorsi. Tali sensori dovrebbero essere estremamente sensibili ma anche robusti e semplici da utilizzare.

E Swager ha fatto un buon primo passo. Utilizzando polimeri appositamente progettati come rilevatore, Swager ha recentemente sviluppato un dispositivo per rilevare le concentrazioni di ossido nitrico, una sostanza chimica presente nel respiro umano. Picchi di ossido nitrico quando il corpo è stressato (vedi Sensing Health, sotto) . Preso da solo, una misurazione dell'ossido nitrico potrebbe non raccontare tutta la storia, ma il sensore è un primo elemento che potrebbe far parte dei modi per valutare lo stato fisiologico del soldato, dice Swager.

Percezione della salute

Un sensore che utilizza un polimero elettricamente conduttore potrebbe rilevare direttamente le concentrazioni di ossido nitrico nel respiro di un soldato. Gli atomi di cobalto nel polimero si legano e rilasciano molecole di ossido nitrico, causando fluttuazioni nella resistenza del polimero, che si trova tra gli elettrodi. (Illustrazione di John MacNeill)

Il rilevatore di ossido nitrico utilizza fili polimerici nanoscopici in grado di condurre elettricità. Quando l'ossido nitrico si lega al polimero, produce un cambiamento nella resistenza elettrica che può essere facilmente rilevato. Inoltre, le molecole di ossido nitrico cadono rapidamente dal sensore, dando al dispositivo la capacità di fornire misurazioni continue della concentrazione della sostanza chimica.

Sebbene oggi sia solo un prototipo, il dispositivo di Swager potrebbe eventualmente essere incorporato in una maschera o nel tessuto della tuta di un soldato per rilevare altre sostanze chimiche, come idrocarburi e chetoni, che possono essere indicatori di stress o malattia o per rilevare agenti biologici e chimici.

Integrazione

Anche se Swager e gli altri ricercatori dell'istituto continuano a sfornare questi nuovi materiali e dispositivi, stanno già pensando a quella che alla fine sarà la loro più grande sfida: far funzionare tutte le loro invenzioni in un abito producibile in serie. Sarà un problema di sistemi e integrazione che non abbiamo mai visto prima, afferma Swager.

È qui che DuPont potrebbe aiutare. L'azienda ha decenni di esperienza nello sviluppo di materiali ultraresistenti come il Kevlar, utilizzato per i giubbotti antiproiettile. Ora aiuterà a creare nuovi processi per l'integrazione di diversi nanomateriali in un unico tessuto. Un problema: non tutti i polimeri sono compatibili. Non sono la stessa cosa e non si comportano allo stesso modo, afferma Wayne Marsh, responsabile della ricerca presso DuPont Central Research and Development a Wilmington, DE. Alcuni sono realizzati in modo molto diverso; lo stesso processo potrebbe degradare un polimero formandone un altro. Riconciliare queste differenze richiederà la modifica della chimica dei polimeri o l'aggiunta di rivestimenti per proteggerli l'uno dall'altro. Tutto sommato, questa è roba davvero all'avanguardia, dice Thomas. È come Jack Kilby di Texas Instruments nei primi anni '50, pensando di realizzare solo decine o centinaia di transistor su un singolo chip di silicio. Devi dire, come lo faremmo?'

I capi dell'esercito e la comunità medica civile hanno grandi speranze che Thomas e i suoi colleghi del MIT trovino la risposta, scoprendo non solo come perfezionare nuovi materiali e dispositivi, ma anche come intrecciarli insieme con risultati rivoluzionari. Ma sono realistici. Non so se tutto questo darà ciò che voglio, quando lo voglio, e lo farà a un prezzo accessibile, dice Andrews dell'esercito.

Di sicuro, il nuovo istituto non produrrà l'uniforme da combattimento completamente integrata in cinque anni. Invece, il successo su quella scala temporale significherà un giubbotto resistente ai proiettili molto più leggero o un robusto materiale ottico amico o nemico, afferma Thomas. Una misura del successo sarà se avremo ottenuto l'attenzione e la fiducia della gente dell'esercito per credere nell'uso della nanotecnologia per il singolo soldato, dice. Un grande successo sarà se mettiamo effettivamente qualcosa di tangibile nelle mani di un soldato. Non sarà facile. Ma dato il vantaggio dell'istituto nello sviluppo dei materiali, l'esercito degli Stati Uniti ha almeno una possibilità di combattere per ottenere l'uniforme che cerca.

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