'e-Skin' che imita la pelle biologica e le sue funzioni

La scoperta di un nuovo tipo di "pelle elettronica" malleabile, autorigenerante e completamente riciclabile ha ampie applicazioni nel monitoraggio della salute, nella robotica, nelle protesi e nei dispositivi biomedici migliorati.

Uno studio pubblicato su Science Advances presenta una nuova pelle elettronica (o semplicemente e-skin) che possiede molteplici proprietà, tra cui malleabilità, capacità di autoriparazione e completa riciclabilità, rispetto alla pelle umana¹ ^. La pelle, il nostro organo più esteso, è il rivestimento carnoso visibile dall'esterno. È un organo estremamente versatile che funge da scudo impermeabile e isolante, proteggendo il corpo da una varietà di pericoli o fattori esterni, come ad esempio i danni del sole. Alcune delle funzioni della pelle includono la regolazione della temperatura corporea, la protezione del corpo dall'assunzione di sostanze tossiche e la loro escrezione (attraverso il sudore), il supporto meccanico e immunologico e la produzione della vitamina D , fondamentale per la salute delle ossa. La pelle è anche un enorme sensore, ricco di terminazioni nervose che le permettono di comunicare istantaneamente con il cervello.

Ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando allo sviluppo di diverse tipologie e dimensioni di " pelle elettronica indossabile " con l'obiettivo di imitare la pelle biologica e le sue varie funzioni. Vi è una forte esigenza di dispositivi flessibili ed estensibili per un'integrazione perfetta con la morbida e curvilinea pelle umana. I materiali su scala nanometrica (10⁻⁹ ^m ) possono fornire la versatilità meccanica ed elettrica necessaria, sostituendo il silicio rigido che è stato solitamente utilizzato in passato. Il team guidato dal Dr. Jianliang Xiao presso l'Università del Colorado a Boulder, negli Stati Uniti, ha sviluppato con successo una pelle elettronica artificiale (e-skin) con l'obiettivo di trasferire la sensazione tattile della pelle umana su robot e protesi. Questo tentativo si inserisce nella direzione di una futura tecnologia "indossabile" che avrebbe un enorme potenziale e valore in campo medico, scientifico e ingegneristico.

E-skin: autorigenerante e riciclabile

La pelle elettronica (e-skin) è un materiale sottile e traslucido costituito da una nuova rete polimerica dinamica a legami covalenti, chiamata poliimmina, arricchita con nanoparticelle d'argento per migliorarne la resistenza meccanica, la stabilità chimica e la conduttività elettrica. Questa pelle elettronica integra anche sensori per misurare pressione, temperatura, umidità e flusso d'aria. È considerata straordinaria perché incorpora numerose caratteristiche che la rendono un'imitazione estremamente fedele della pelle umana. È altamente malleabile e può essere facilmente applicata su superfici curve (ad esempio braccia e gambe umane, mani robotiche) applicando calore e pressione moderati senza generare stress eccessivi. Possiede inoltre sorprendenti proprietà di autoriparazione: in caso di tagli o danni causati da fattori esterni, la pelle elettronica ricrea i legami chimici tra le due parti separate, ripristinando la matrice e la sua funzionalità, tornando al suo stato originale.

Se questa e-skin diventa inutilizzabile per qualsiasi circostanza, può essere completamente riciclata e trasformata in una nuovissima e-skin inserendola in una soluzione di riciclaggio che "liquefa" il materiale e-skin esistente e lo trasforma in un " nuova” e-skin. Questa soluzione di riciclaggio - una miscela di tre composti chimici disponibili in commercio in etanolo - degrada i polimeri e le nanoparticelle d'argento affondano sul fondo della soluzione. Questi polimeri degradati possono essere riutilizzati per creare una nuova e-skin funzionale. Questa autoriparazione e riciclabilità ottenibile a temperatura ambiente è attribuita al legame chimico del polimero utilizzato. Il vantaggio della rete polimerica di poliimmina è che è reversibile e può essere rotta e riciclata a differenza della maggior parte dei materiali termostatici convenzionali che non possono essere rimodellati o rielaborati o riciclati a causa dei legami irreversibili all'interno delle loro reti polimeriche reticolate. Questo è più robusto della pelle umana stessa e potrebbe essere usato come un miglioramento piuttosto che come sostituzione. È anche piacevole al tatto e sembra quasi una vera pelle che potrebbe trasformarsi in un agente di copertura in futuro, ad esempio dispositivi elettronici.

Le proprietà ecocompatibili e a basso costo della pelle elettronica sono state acclamate e potrebbero ridurre significativamente i rifiuti elettronici e l'impatto ambientale, riscuotendo grande successo e popolarità tra i produttori di diversi settori. Sebbene al momento possa sembrare fantascienza, questa tecnologia di riutilizzo potrebbe essere applicata anche ai vecchi dispositivi elettronici. Infatti, i moderni fitness tracker e monitor per la salute, una volta danneggiati, contribuiscono all'enorme quantità di rifiuti elettronici, aggravando i problemi ambientali. La pelle elettronica potrebbe essere indossata intorno al collo o al polso, fungendo da dispositivi indossabili flessibili o tatuaggi temporanei, e, in caso di danneggiamento, potrebbe essere riciclata e riutilizzata. Grazie alla sua flessibilità, la pelle elettronica può essere piegata e attorcigliata, adattandosi alle esigenze di chi la indossa. Questa tecnologia apre nuove prospettive per la robotica intelligente , in cui una pelle elettronica piacevole al tatto e confortevole potrebbe essere applicata al corpo di un robot o a un arto artificiale. Per essere più precisi, un braccio o una gamba protesici rivestiti con questa pelle elettronica possono consentire a chi li indossa di reagire alle variazioni di temperatura e pressione grazie ai molteplici sensori integrati. Braccia o gambe robotiche dotate di tale pelle elettronica possono rendere i robot più delicati nei confronti degli esseri umani, aumentandone la sicurezza e l'affidabilità. Ad esempio, la pelle elettronica potrebbe essere specificamente applicata a un robot che si prende cura di un neonato o di un anziano fragile, evitando così che il robot eserciti una forza eccessiva. Un'altra potenziale applicazione della pelle elettronica potrebbe riguardare ambienti pericolosi o lavori ad alto rischio. È plausibile che questa tecnologia possa essere utilizzata con pulsanti, comandi o porte virtuali, consentendo qualsiasi operazione senza interazione fisica umana, ad esempio nell'industria degli esplosivi o in altri settori lavorativi pericolosi, riducendo così il rischio di infortuni.

Aggiunta di display a e-skin

Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo ha recentemente integrato un display ² (micro-LED) in cerotti elettronici ultrasottili, simili a quelli per i cerotti, per consentire la visualizzazione in tempo reale di diversi parametri di monitoraggio della salute (ad esempio, la misurazione dei livelli di glucosio nelle persone con diabete o l'andamento dell'elettrocardiogramma di un paziente cardiopatico ). Questi cerotti sono dotati di un cablaggio estensibile e possono quindi piegarsi o allungarsi fino al 45% in base ai movimenti di chi li indossa. Sono considerati i più flessibili e resistenti attualmente sul mercato. Il continuo ricambio cellulare della pelle umana potrebbe comportare il distacco del cerotto dopo alcuni giorni, ma questo problema può essere risolto.

Questo studio, condotto dal professor Takao Someya, afferma che tale display può essere eventualmente utilizzato per consentire la lettura e la comunicazione di informazioni mediche in modo semplice e continuo non solo per i pazienti ma anche per i familiari, gli operatori sanitari e gli operatori sanitari sia di persona che anche a distanza. Riceverebbe anche messaggi. I ricercatori mirano a migliorare ulteriormente l'affidabilità del cerotto, renderlo più conveniente e anche aumentare la sua produzione per una portata più ampia in tutto il mondo. Il loro obiettivo è lanciare questo dispositivo sul mercato entro la fine del 2020.

Sfide da affrontare

Lo sviluppo dell'e-skin è una nuova ricerca molto entusiasmante, tuttavia, una delle proprietà fondamentali della nostra – flessibilità e capacità di elasticità – deve ancora essere raggiunta con successo dall'e-skin. L'e-skin è morbida ma non elastica come la pelle umana. Secondo gli autori, così com'è il materiale non è inoltre molto facilmente riproducibile. È stata osservata una leggera riduzione delle prestazioni complessive di rilevamento in un dispositivo e-skin rigenerato/riciclato rispetto a un modulo nuovo, che deve essere affrontato completamente con ulteriori ricerche. Anche i campi magnetici utilizzati dalle e-skin sono piuttosto elevati e devono essere ridimensionati. Attualmente il dispositivo è alimentato da una fonte esterna che è molto poco pratica, ma dovrebbe essere possibile avere batterie ricaricabili di piccole dimensioni per alimentare il dispositivo. Il Dr.Xiao e il suo team vogliono perfezionare questo prodotto e migliorare la soluzione di ridimensionamento in modo che almeno gli ostacoli economici possano essere superati e questa e-skin dovrebbe essere più facile da produrre e posizionare su robot o protesi o dispositivi medici o qualsiasi altra cosa.

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Fonte (s)

1. Zou Z et al. 2018. Pelle elettronica riparabile, completamente riciclabile e malleabile grazie a un nanocomposito termoindurente covalente dinamico. Science Advances . https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Monitoraggio continuo della salute con sensori cutanei ultraflessibili. Simposio dell'incontro annuale AAAS, Austin, Texas, 17 febbraio 2018. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. et al. Pelle fotonica organica ultraflessibile. SCIENCE ADVANCES. 15 aprile 2016. Vol. 2, numero 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

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