Un nuovo materiale progettato dai ricercatori della Facoltà di scienze applicate e ingegneria dell'Università di Toronto combina la flessibilità della pelle umana con una migliore conduttività e tolleranza a temperature fino a -93°C.
Conosciuta come pelle ionica, o iSkin, la sostanza potrebbe migliorare una vasta gamma di tecnologie, dall'elettronica indossabile alla robotica morbida. La sostanza, che appartiene a una famiglia di materiali chiamati idrogel.
"Gli idrogel sono polimeri reticolati che sono in grado di trattenere molta acqua all'interno delle loro strutture chimiche", afferma Binbin Ying, che ora sta completando il lavoro post-dottorato al MIT ma ha guidato la progettazione del materiale mentre persegue gli studi universitari alla McGill University e contemporaneamente lavorando come studente di dottorato in visita nel laboratorio del professore di ingegneria U of T Xinyu Liu.
“Molti dei tessuti del nostro corpo sono idrogel, quindi vengono spesso utilizzati in applicazioni in cui la biocompatibilità è importante come i cosmetici o l'ingegneria dei tessuti. Ma se vogliamo usarli in un'elettronica morbida, flessibile o indossabile, dobbiamo aggiungere nuove funzionalità come l'elasticità meccanica e la conduttività elettrica.
L'anno scorso, Ying e Liu hanno presentato una precedente iterazione di iSkin che ha mostrato alcune delle sue capacità: è autoalimentato, non tossico e può estendersi fino al 400% delle sue dimensioni originali.
Ancora più importante, piegare il materiale crea un cambiamento proporzionale nella sua conduttività. Ciò gli consente di convertire il movimento fisico in un segnale elettrico analogo.
"Un fisioterapista potrebbe attaccarlo al ginocchio o al gomito per misurare quando e di quanto si muove l'articolazione", afferma Liu. “L'abbiamo anche rivestito su un guanto, che ci consente di misurare e tracciare i movimenti della mano, che a loro volta possono essere utilizzati per controllare un robot. È un modo molto versatile per facilitare tutti i tipi di interazioni uomo-macchina”.
Con i contributi degli studenti universitari Ryan Chen, Runze Zuo e del dottorando Zhanfeng Zhou, i ricercatori stanno esplorando ulteriori applicazioni di iSkin. Ad esempio, l'aggiunta di pezze di materiale a una pinza meccanica fornisce una serie di segnali di feedback univoco per ogni elemento che viene afferrato. L'analisi delle combinazioni di segnali può quindi consentire al robot di "sentire" ciò che sta rilevando. In combinazione con algoritmi di intelligenza artificiale, il robot può persino imparare a discriminare tra oggetti duri e morbidi, rotondi e cubici, ecc. e ordinarli in modo appropriato.
Fino ad ora, iSkin soffriva di un inconveniente comune a tutti gli idrogel: quando l'acqua al suo interno si congela, i cristalli di ghiaccio risultanti possono arrecare gravi danni alla complessa matrice polimerica. L'aria fresca e secca può anche aspirare l'acqua liquida rimanente dall'idrogel.
Ying e i membri del suo team hanno affrontato il problema aggiungendo glicerolo, una sostanza chimica non tossica comunemente usata in tutto, dagli alimenti al gel per capelli. Dopo aver testato attentamente centinaia di possibili ricette, hanno sviluppato una nuova formulazione iSkin che aumenta la tolleranza al freddo senza sacrificare le altre proprietà utili del materiale.
Come ulteriore vantaggio, la nuova formulazione consente all'idrogel di aderire ancora più facilmente alla pelle, ai vestiti e ad altri materiali.
"L'abbiamo attaccato all'esterno di una giacca e siamo usciti in un inverno di Toronto, dove c'erano 10 gradi sotto zero", dice Ying. "Siamo stati in grado di effettuare gli stessi tipi di misurazioni che abbiamo fatto in laboratorio".
La tolleranza al freddo e la migliore adesività aumentano ulteriormente l'elenco delle possibili applicazioni per il materiale. Ad esempio, la pinza meccanica di smistamento potrebbe ora funzionare in un impianto di stoccaggio a bassa temperatura dove sarebbe scomodo per un essere umano lavorare.
Il team prevede anche altre possibilità, incluso il soft robot progettato per arrampicarsi su terreni accidentati in ambienti artici. In futuro, hanno in programma di continuare a sviluppare il materiale e potenzialmente a miniaturizzare.