Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
Un materiale capace di allungarsi come una gomma e generare elettricità potrebbe aprire una nuova strada per la sensoristica intelligente. È il risultato della ricerca guidata da Nae-Eung Lee, professore alla School of Advanced Materials Science and Engineering della Sungkyunkwan University (SKKU), in Corea del Sud. Il team ha sviluppato una sinapsi sensoriale ultrasonica artificiale ispirata al sistema uditivo dei delfini, in grado di trasformare gli ultrasuoni che viaggiano nell’acqua in segnali elettrici e quindi in informazioni elaborate da un dispositivo neurale artificiale.
Il team dietro il nuovo dispositivo sensibile
La ricerca nasce dall’esigenza di superare alcuni dei limiti dei tradizionali materiali utilizzati per i sensori ultrasonici. I materiali inorganici, infatti, possono essere fragili e rompersi quando vengono sottoposti a deformazioni, mentre alcuni polimeri flessibili tendono a non recuperare completamente la propria forma oppure perdono parte delle loro prestazioni piezoelettriche.
Il gruppo di Lee ha quindi lavorato su un materiale che potesse combinare elasticità e capacità di generare elettricità sotto sollecitazione meccanica. Il risultato è un nanocomposito progettato per mantenere le proprie caratteristiche anche quando viene deformato.
Come funziona il materiale elastico
Alla base del dispositivo c’è un polimero flessibile, chiamato P(VDF-TrFE), collegato attraverso un processo di reticolazione a molecole morbide di PEG-diammina. A questo materiale i ricercatori hanno aggiunto nanoparticelle di titanato di bario (BaTiO₃), note per le loro forti proprietà piezoelettriche.
Le interazioni chimiche tra il polimero e le nanoparticelle, in particolare i legami a idrogeno, favoriscono la formazione delle strutture cristalline responsabili delle prestazioni elettriche. Il risultato è un materiale che riesce a conservare la propria funzionalità anche quando viene sottoposto a notevoli deformazioni.
Secondo i test riportati dalla ricerca, il nanocomposito mantiene una prestazione piezoelettrica stabile anche dopo un allungamento del 50% rispetto alla lunghezza originale. Inoltre, non ha mostrato un degrado significativo dopo più di 1.000 cicli di pressione e allungamento.
La sinapsi artificiale ispirata ai delfini
L’idea alla base del sistema arriva direttamente dalla natura. I delfini riescono a muoversi anche in acque scure o torbide emettendo onde ultrasoniche e rilevando gli echi riflessi dagli oggetti circostanti. È il meccanismo della ecolocalizzazione, che consente loro di riconoscere l’ambiente e individuare le prede.
I ricercatori hanno cercato di riprodurre artificialmente questo processo. Il sensore elastico rileva le onde ultrasoniche che attraversano l’acqua e le converte in segnali elettrici. Questi vengono quindi inviati a un dispositivo neurale artificiale flessibile, un transistor sinaptico, capace di conservare le informazioni ricevute in maniera simile a quanto avviene nelle cellule nervose biologiche.
Dall’ultrasuono al segnale neurale
Il sistema permette così di creare una catena che parte dallo stimolo ambientale e arriva all’elaborazione artificiale. L’onda ultrasonica viene prima rilevata dal materiale piezoelettrico, quindi trasformata in un segnale elettrico e infine trasferita alla componente sinaptica.
L’obiettivo è riprodurre, almeno a livello funzionale, il meccanismo attraverso cui le cellule sensoriali dell’apparato uditivo dei delfini ricevono le vibrazioni ultrasoniche e trasmettono le informazioni alle reti neurali del cervello.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Materials, viene quindi presentata come una possibile base per lo sviluppo di sistemi sensoriali artificiali capaci di percepire gli ultrasuoni prendendo ispirazione dall’udito biologico.
Le possibili applicazioni nella robotica marina
Una delle prospettive indicate dagli stessi ricercatori riguarda la realizzazione di robot marini morbidi capaci di operare sott’acqua. La combinazione tra elasticità e capacità di rilevare gli ultrasuoni potrebbe infatti essere particolarmente adatta a sistemi che devono mantenere una certa flessibilità durante il funzionamento.
Il professor Lee indica inoltre un possibile impiego nei dispositivi medici indossabili, progettati per aderire naturalmente alla pelle e destinati al monitoraggio della salute. Si tratta di applicazioni ancora legate alle prospettive della ricerca, ma che mostrano la versatilità di un materiale capace di unire deformabilità e prestazioni piezoelettriche.
Verso una nuova generazione di sensori elastici
Il risultato ottenuto dalla Sungkyunkwan University affronta uno dei problemi centrali della sensoristica elastica: riuscire a mantenere elevate prestazioni elettriche anche quando il materiale viene continuamente deformato.
La possibilità di integrare un sensore ultrasonico elastico con una componente sinaptica artificiale porta così il concetto oltre il semplice rilevamento di uno stimolo. Il dispositivo è pensato per trasformare ciò che avviene nell’ambiente in informazioni elettriche che possono essere conservate ed elaborate da un sistema artificiale, seguendo un principio ispirato direttamente alla biologia.
Fonte: Techxplore
