Verso una pelle elettronica

Resistenza, flessibilità, sensibilità: ecco come, attraverso nuovi materiali e sensori, gli scienziati provano a replicare l’organo di rivestimento del nostro corpo e i suoi “superpoteri”.

Ripristinare il senso del tatto anche in chi ha perso una mano, o una porzione di pelle, in seguito a un incidente o a un’ustione. Indossare minuscoli dispositivi sulla superficie del corpo che possano costantemente riferire sul nostro stato di salute, e captare i segnali precoci di una malattia. Avere a disposizione robot (e soft-robot) con estremità dotate di una sensibilità paragonabile (o quantomeno ispirata) a quella degli esseri umani, che possano dunque manipolare oggetti e svolgere compiti anche molto delicati. Sono questi i principali obiettivi degli scienziati – chimici, ingegneri, ma anche biologi e medici – impegnati nello sviluppo della cosiddetta pelle elettronica (electronic skin, o e-skin, in inglese). Si tratta dell’insieme di materiali e dei circuiti flessibili creati in laboratorio e potenzialmente in grado di replicare le proprietà e le funzioni della pelle umana. Ma a che punto siamo con questa tecnologia? Ripercorriamo insieme i risultati più recenti.

La “materia prima”

La pelle è l’organo più esteso del nostro corpo, è resistente, ci protegge e accompagna in ogni nostro movimento. Per questo lo sviluppo di una possibile pelle elettronica deve consistere innanzitutto di materiali altrettanto robusti e allo stesso tempo elastici, flessibili e tali da aderire in modo saldo alla superficie sottostante. Si lavora sia alla formulazione e alla valutazione di sostanze che possano fungere da “matrice” elastica all’interno della quale inserire piccoli dispositivi elettronici, sia a rendere i dispositivi stessi estensibili, tramite quella che viene chiamata elettronica flessibile.

I progressi degli ultimi anni su questo fronte sono stati molto importanti, e sono stati ottenuti in diverse attività di progettazione. I materiali elettronici sono stati studiati per essere geometricamente modellati in modo da conferire elasticità, per esempio tramite strutture a serpentina, o simili a origami, che consentono di ridurre in modo efficace lo stress meccanico. Si è poi lavorato con i cosiddetti elastomeri, cioè polimeri elastici, già molto studiati anche in altri settori di ricerca e di facile reperibilità, dove incorporare conduttori come film metallici sottilissimi, fibre, nanoparticelle. Per le applicazioni che prevedono l’uso a contatto con i nostri tessuti, un requisito essenziale è, naturalmente, anche la biocompatibilità, cioè che non provochino reazioni infiammatorie o di rigetto e che non abbiano impatti negativi sul corpo, anche a lungo termine.

La pelle che si ripara da sola

Un’eventuale e-skin potrebbe essere usata a lungo nel tempo. Inoltre, per la natura stessa di un tessuto di superficie, potrebbe nel tempo subire danni meccanici come graffi, urti, lacerazioni. Per queste ragioni gli scienziati puntano a una pelle elettronica che sia capace, entro certi limiti, di auto-ripararsi (in inglese self-healing) senza necessità di stimoli o interventi esterni.

Una soluzione interessante è quella messa a punto da un gruppo della Università del Colorado a Boulder, descritta in un articolo pubblicato nel 2018 su Science Advances. Nell’articolo è descritto un prototipo di pelle artificiale in grado di formare nuovi legami covalenti se subisce un danno. Il suo segreto? La particolare formulazione, che permette ai legami che tengono insieme la rete di spezzarsi e riformarsi senza che la struttura finale ne esca alterata. Il processo di rigenerazione necessita solo di un piccolo riscaldamento per l’attivazione. Nonostante ci siano stati anche altri progressi nella fabbricazione di materiali resistenti e flessibili in grado di autoripararsi, per ora per la loro applicazione effettiva nel campo della medicina e delle protesi c’è ancora molto da fare prima che i processi di auto-riparazione possano essere considerati davvero autonomi.

Il tatto artificiale

Sentire le variazioni di pressione e temperatura, provare dolore per un taglio, percepire piccole vibrazioni o la consistenza e struttura di un oggetto: i nostri polpastrelli sono degli specialisti in questo, come del resto anche le altre superfici della nostra pelle che, oltre che a proteggerci dall’esterno, ci aiutano a percepire l’ambiente circostante mediante il senso del tatto. Come far sì che questa gamma così complessa di sensazioni possa essere avvertita e trasmessa anche da una pelle creata da zero in laboratorio?

La parola chiave in questo caso è sensori, ovvero le piccole “spie” che, idealmente, dovrebbero avere un’altissima sensibilità, essere velocissime nell’inviare i segnali e altrettanto rapide nel rimettersi all’ascolto, senza tempi morti. Negli ultimi dieci anni, gli studi sui sensori di pressione e di deformazione, flessibili o estensibili, sono aumentati fortemente.

Fra i metodi più visionari vi è probabilmente quello del gruppo di scienziati della Stanford University guidato da Zhenan Bao. La ricercatrice è una pioniera di un approccio molecolare al tema: anziché sviluppare sensori e poi modificarli per renderli biocompatibili e adatti all’applicazione, Bao progetta ormai da anni a tavolino polimeri e componenti elettroniche formulati appositamente. Nel 2010 Bao e il suo gruppo hanno sviluppato una pelle artificiale a partire da un polimero elastico in grado di rilevare piccoli cambiamenti di pressione, a imitazione, appunto, del senso del tatto. Descritto in un articolo pubblicato su Nature Materials, si trattava allora di un progetto decisamente unico nel suo genere: uno strato di materiale gommoso con all’interno una serie di minuscole strutture piramidali che funzionava come un condensatore e, se deformato, rendeva possibile misurare variazioni di corrente. Era una sorta di “trasposizione” elettronica del rilevamento del tocco o della pressione da parte della pelle.

Nel 2015 gli ingegneri di Stanford pubblicano su Science i risultati ottenuti: una pelle artificiale capace di rilevare l’intensità della forza con cui viene premuta e di generare un segnale elettrico che fornisca un input sensoriale direttamente a una cellula cerebrale vivente.

Nel 2018 lo stesso gruppo di ricerca, sulle pagine di Science Robotics, pubblica inoltre i risultati della sperimentazione di un guanto elettronico contenente sensori, che un giorno potrebbero dare alle mani robotiche il livello di destrezza di noi esseri umani. Messo alla prova, il prototipo ha dimostrato di permettere la manipolazione di una pallina da ping pong, o addirittura di un lampone, senza schiacciarli, regolando quindi la pressione del tocco alla perfezione (i video delle performance hanno fatto virtualmente il giro del mondo).

Uno sguardo dentro al corpo

Oltre a provare a ricreare le nostre abilità sensoriali, gli scienziati lavorano a sistemi per l’indagine interna del nostro corpo. Un giorno ciò potrebbe permetterci di monitorare il nostro stato di salute attraverso dispositivi cosiddetti wearable, cioè indossabili. Per esempio cerotti dotati di display o collegati alle app potrebbero avvertirci rapidamente in caso di necessità e contribuire alla diagnosi sempre più precoce di alcune malattie. Si lavora quindi a sensori che possano rilevare la presenza o le variazioni delle concentrazioni, nei fluidi corporei, di sostanze come per esempio metaboliti, ormoni, elettroliti e metalli, capaci di fungere da indicatori di specifiche patologie.

Un gruppo di ingegneri esperti di nanotecnologie della Università della California a San Diego ha per esempio sviluppato qualche anno fa degli adesivi sottilissimi, molto simili a dei tatuaggi, da applicare sull’epidermide e in grado di produrre in modo non invasivo una correlazione tra i livelli di glucosio dei fluidi interstiziali – gli spazi tra le cellule – e i livelli del glucosio nel sangue. Un aspetto che potrebbe essere molto utile alla gestione del diabete.

Ma è possibile monitorare lo stato di salute del corpo anche verificando l’attività elettrica di organi e tessuti, cioè i processi elettrofisiologici che, in caso di malfunzionamento, possono causare aritmie, malattie neuromuscolari, epilessia. Questo monitoraggio è già possibile con esami come l’elettrocardiogramma , l’elettromiografia o il rilevamento dell’attività cerebrale. La pelle elettronica potrebbe tuttavia fornire informazioni in modo più preciso e costante nel tempo. Anche su questo versante la ricerca negli ultimi anni ha fatto molti progressi, ma gli oggetti che abbiamo oggi a disposizione sono ancora prototipi sperimentali.

Un esempio recentissimo e rappresentativo del filone del tracciamento dello stato di salute è l’ultimo articolo pubblicato dal gruppo di ricerca di Takao Someya, uno dei pionieri nello sviluppo di sistemi come la pelle elettronica per il monitoraggio dei parametri vitali. Il laboratorio si trova presso la scuola di ingegneria dell’Università di Tokyo. Il sistema sottilissimo e flessibile è studiato per essere applicato sul torace grazie semplicemente ad acqua nebulizzata e può rimanere adeso alla superficie per una settimana. Il sistema ha la capacità di raccogliere segnali come il ritmo cardiaco e gli impulsi elettrici dei movimenti muscolari, che possono essere trasmessi in tempo reale e in modalità wireless a un computer o a uno smartphone, consentendo a un medico di visionare tali dati da remoto.

Oltre a dispositivi di superficie, si lavora anche a sistemi analoghi che possano però essere impiantati e funzionare anche all’interno del corpo. Il già citato gruppo di Bao, per esempio, ha da poco realizzato un sensore wireless e biodegradabile che potrebbe essere applicato, avvolgendolo, su un vaso sanguigno, allo scopo di registrare il flusso dopo un intervento chirurgico. Per ora il sensore è stato però sperimentato solo in modelli di arterie artificiali e in animali di laboratorio. In altre parole siamo ancora lontani dall’applicazione clinica in esseri umani.