Sensore di temperatura per pelle artificiale

I serpenti a sonagli e le vipere sono noti per la loro capacità di individuare in modo affidabile le prede anche nella più completa oscurità. Il sensibilissimo organo della fossa situato tra l'occhio e il naso permette loro di rilevare il corpo caldo di un mammifero a un metro di distanza. La funzione esatta di questi sensori di temperatura è stata decifrata solo pochi anni fa.

Gli scienziati guidati da Chiara Daraio del Dipartimento di Ingegneria meccanica e dei processi dell'ETH di Zurigo sono ora riusciti a produrre un sensore di temperatura artificiale basato su sostanze naturali che è altrettanto sensibile e, grazie alla sua flessibilità e ad altre proprietà utili, potrebbe presto essere utilizzato come componente della pelle artificiale in protesi o bracci robotici.

La scoperta del "cyber-legno"

Questo sensore di temperatura deve la sua scoperta a una fortunata coincidenza. Raffaele Di Giacomo, che ha guidato il progetto nel laboratorio del professor Daraio dell'ETH, si è inizialmente imbattuto, nell'ambito delle sue ricerche, in una caratteristica particolare della pectina, un materiale vegetale. Nella vita di tutti i giorni, la pectina è meglio conosciuta come agente gelificante per budini o marmellate, ma Di Giacomo era interessato a un'altra proprietà di questa sostanza, che consiste in molte molecole di zucchero legate insieme.

Esperimenti condotti sui rami di alberi le cui pareti cellulari contengono pectina hanno dimostrato che la loro conduttività elettrica dipende fortemente dalla temperatura. Per indagare il meccanismo responsabile di questo fenomeno, i ricercatori di Zurigo hanno prodotto un "cyber-legno" artificiale fatto di pectina e nanotubi di carbonio (cfr. Notizie dell'ETH dal 31/03/2015).

Misurando la resistenza elettrica a diverse temperature, hanno infine scoperto che gli ioni di calcio intrappolati nei punti di contatto tra due molecole di zucchero della pectina erano responsabili del meccanismo del sensore. Più alta era la temperatura, più ioni di calcio liberi c'erano nel legno artificiale e meglio conduceva l'elettricità.

Film sottile di pectina

"Avevamo trovato un materiale ideale per un sensore di temperatura altamente sensibile", ricorda Di Giacomo, "ma era rigido come il legno e quindi non adatto all'uso in una pelle artificiale". La svolta è arrivata quando, insieme al dottorando Luca Bonanomi, ha prodotto una pellicola di semplice gelatina di pectina mescolata con una soluzione di calcio che aveva uno spessore di soli 100 micrometri al posto del legno artificiale.

I ricercatori hanno attaccato degli elettrodi a due estremità del film con cui hanno potuto misurare la conduttività. Il risultato: anche questa semplice pellicola di pectina conduceva meglio l'elettricità quanto più era calda. Inoltre era sottilissima, trasparente e poteva essere piegata e modellata quasi a piacere.

Sensibile come un serpente

Misure più precise hanno rivelato che gli scienziati dell'ETH hanno trovato un sensore di temperatura in grado di misurarsi anche con l'organo della fossa dei serpenti, altamente sensibile. La pellicola di pectina può misurare temperature da 10 a 50 gradi Celsius con una precisione di un centesimo di grado. Si tratta di un valore paragonabile alla sensibilità dell'organo della fossa e due volte più sensibile della pelle umana.

"Inoltre", aggiunge Di Giacomo, "la nostra pellicola di pectina è estremamente facile da produrre e non contiene transistor o altri componenti elettronici. Questo lo rende molto più robusto e meno soggetto a guasti rispetto ai sensori di temperatura flessibili convenzionali".

Risoluzione spaziale

Per essere adatto all'uso nelle protesi, il film di pectina deve continuare a funzionare anche se non è steso in piano, ma è fortemente piegato. Il film sensibile alla temperatura ha superato il test con facilità. Inoltre, dovrebbe essere possibile localizzare un cambiamento di temperatura localizzato in una pellicola di ampia superficie, in modo simile a come la pelle umana può risolvere spazialmente uno stimolo di calore o di freddo.

Per verificarlo, i ricercatori hanno attaccato diversi elettrodi ai lati longitudinali e trasversali di una pellicola di 25 centimetri quadrati, dividendola in una griglia immaginaria. Se un dito umano toccava la pellicola in un determinato punto, gli scienziati erano in grado di determinare con precisione la posizione del tocco in base al cambiamento dei segnali ai vari elettrodi.

"Attualmente stiamo ancora perfezionando gli algoritmi informatici che utilizziamo per analizzare i segnali provenienti dagli elettrodi", spiega lo studente di master Vincenzo Costanza, coautore dello studio. Insieme ai miglioramenti apportati ai contatti elettrici, il sensore di temperatura dovrebbe essere presto pronto per i test pratici nella robotica o nelle protesi.