Ricercatori della SEOULTECH stampano in 3D materiali intelligenti indossabili
La tecnologia innovativa dei metamateriali potrebbe dare vita a dispositivi indossabili e sistemi di monitoraggio della salute di nuova generazione
I sensori tattili sono ampiamente utilizzati in robotica, protesica, dispositivi indossabili e sistemi di monitoraggio sanitario. Questi dispositivi rilevano e convertono stimoli esterni, come pressione e forza, in segnali elettrici, facilitando un’interazione più efficace con l’ambiente circostante. La comunità scientifica ha investito notevoli sforzi per migliorare le prestazioni dei sensori tattili in termini di intervallo di rilevamento e sensibilità, un contesto in cui i metamateriali meccanici si dimostrano particolarmente promettenti. In particolare, i metamateriali meccanici auxetici (AMM), caratterizzati da un coefficiente di Poisson negativo – consentono una contrazione interna e una concentrazione localizzata delle deformazioni in compressione. Queste proprietà controintuitive li rendono opzioni ideali per progettare sensori e attuatori dalle prestazioni avanzate.
Tuttavia, la tecnologia AMM esistente ha sempre incontrato difficoltà nella produzione e integrazione.
Per colmare questa lacuna, un team di ricercatori della Seoul National University of Science and Technology (SEOULTECH), guidato da Mingyu Kang, primo autore dello studio e studente del corso di laurea magistrale presso il Dipartimento di Ingegneria della Progettazione Meccanica e della Robotica, e da Soonjae Pyo, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria dei Sistemi Meccanici, ha sviluppato una nuova piattaforma di sensori tattili basata su AMM stampati in 3D. La struttura sfrutta una rete cubica con cavità sferiche e viene realizzata tramite stampa 3D DLP (Digital Light Processing). I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Functional Materials.
Il team ha esplorato le potenzialità della piattaforma tattile, utilizzando i metamateriali auxetici stampati in 3D in modalità capacitiva e piezoresistiva. Nel primo caso, il sensore risponde alla pressione grazie alla variazione della distanza tra gli elettrodi e alla distribuzione dielettrica; nella modalità piezoresistiva, invece, sfrutta una rete di nanotubi di carbonio rivestiti in modo conforme, che modifica la resistenza sotto carico.
“Il comportamento auxetico, con coefficiente di Poisson negativo, che caratterizza la nostra tecnologia induce una contrazione interna sotto compressione, concentrando la deformazione nell’area di rilevamento e migliorando la sensibilità,” ha spiegato Mingyu Kang. “Oltre a questo meccanismo di base, il nostro design auxetico rafforza le prestazioni del sensore in tre aspetti fondamentali: aumento della sensibilità grazie alla concentrazione localizzata della deformazione, stabilità eccezionale anche se integrato in strutture rigide, e riduzione dell’interferenza tra unità di rilevamento adiacenti. A differenza delle strutture porose convenzionali, questo design minimizza l’espansione laterale, migliorando la vestibilità e riducendo le interferenze quando integrato in dispositivi come solette intelligenti o pinze robotiche. Inoltre, la stampa 3D basata su DLP consente una programmazione strutturale precisa delle prestazioni del sensore, permettendo la personalizzazione geometrica senza modificare il materiale di base.”
Per illustrare l’innovazione del progetto ricercatori hanno dimostrato due scenari proof-of-concept: una matrice tattile per mappatura spaziale della pressione e classificazione degli oggetti, e un sistema di soletta intelligente per il monitoraggio dell’andatura e il rilevamento del tipo di pronazione.
“La piattaforma proposta può essere integrata in solette intelligenti per il monitoraggio dell’andatura e l’analisi della pronazione, in mani robotiche per una manipolazione precisa degli oggetti e in sistemi di monitoraggio sanitario indossabili che richiedono comfort e rilevamento accurato senza compromettere le attività quotidiane,” ha dichiarato Soonjae Pyo. “La struttura auxetica mantiene sensibilità e stabilità anche quando è inserita in alloggiamenti rigidi, come gli strati di una soletta, dove le tradizionali strutture porose tendono a perdere prestazioni. La sua scalabilità e compatibilità con vari metodi di trasduzione la rendono adatta anche a superfici di mappatura della pressione, dispositivi per la riabilitazione e interfacce uomo-robot che richiedono elevata sensibilità e robustezza meccanica.”
Nel prossimo decennio, i sensori tattili auxetici stampati in 3D potrebbero diventare l’ossatura dell’elettronica indossabile di nuova generazione, consentendo il monitoraggio continuo e ad alta fedeltà dei movimenti, della postura e dei parametri di salute. La loro adattabilità strutturale e indipendenza dal materiale potrebbero favorire lo sviluppo di sensori personalizzati per la medicina di precisione, protesi avanzate e sistemi di feedback aptico immersivo.
