Componenti elettronici morbidi, simili alla pelle, piccoli e potenti, indossabili e impiantabili

Aprono la strada ad applicazioni biomediche, elettronica indossabile e impiantabile e micro-sensori

[15 Marzo 2024]

Piccoli dispositivi elettronici indossabili o impiantabili potrebbero aiutare a monitorare la nostra salute, diagnosticare malattie e offrire opportunità per trattamenti autonomi e migliorati, ma per farlo senza aggravare o danneggiare le cellule che li circondano, questi dispositivi elettronici dovranno non solo piegarsi e allungarsi insieme ai nostri tessuti mentre si muovono, ma anche essere abbastanza morbidi da non graffiare e danneggiare i tessuti.

I ricercatori della Stanford University lavorano da oltre un decennio la possibilità di realizzare dispositivi elettronici elastici simili alla pelle e nello studio “High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits”. pubblicato recentemente su Nature il 2 13 marzo, presentano un nuovo processo di progettazione e fabbricazione per circuiti integrati simili alla pelle, cinque volte più piccoli e che funzionano a velocità mille volte superiori rispetto alle versioni precedenti.

L’autore senior dello studio, Zhenan Bao che insegna ingegneria chimica alla Stanford, sottolinea che «Abbiamo fatto un notevole passo avanti. Per la prima volta, i circuiti integrati estensibili sono ora abbastanza piccoli e abbastanza veloci per molte applicazioni. Speriamo che questo possa rendere i sensori indossabili e le sonde neurali e intestinali impiantabili più sensibili, far funzionare più sensori e potenzialmente consumare meno energia».

Alla Stanford spiegano che «Il nucleo dei circuiti sono transistor estensibili realizzati con nanotubi di carbonio semiconduttori e materiali elettronici morbidi ed elastici sviluppati nel laboratorio di Bao. A differenza del silicio, che è duro e fragile, i nanotubi di carbonio inseriti tra materiali elastici hanno una struttura a rete che consente loro di continuare a funzionare mentre si allungano e si deformano. I transistor e i circuiti sono modellati su un substrato estensibile, insieme a un semiconduttore, conduttore e materiale dielettrico estensibile».

Bao sottolinea che «Si tratta di molti anni di sviluppo di materiali e ingegneria. Non solo dovevamo sviluppare nuovi materiali, ma dovevamo anche sviluppare la progettazione dei circuiti e il processo di fabbricazione per realizzare i circuiti. Ci sono molti livelli impilati insieme e se un livello non funziona, dobbiamo ricominciare tutto da zero».

In una dimostrazione del loro nuovo design elettronico estensibile, i ricercatori sono stati in grado di inserire più di 2.500 sensori e transistor in un centimetro quadrato, creando una matrice tattile a matrice attiva oltre 10 volte più sensibile della punta delle dita umane. I ricercatori hanno dimostrato che »La serie di sensori può rilevare la posizione e l’orientamento di piccole forme o riconoscere intere parole in Braille».

il co-primo autore dello studio, Donglai Zhong, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Bao, fa notare che «Con il Braille, di solito si percepisce una lettera alla volta. Con una risoluzione così alta, si potrebbe  percepire un’intera parola, o potenzialmente un’intera frase, con un solo tocco».

I ricercatori hanno anche utilizzato i loro circuiti estensibili per gestire un display micro-LED con una frequenza di aggiornamento di 60 Hz, che è quella tipica di uno schermo di computer o TV. Le versioni precedenti dei circuiti estensibili non erano abbastanza veloci, nelle dimensioni ridotte, per generare abbastanza corrente per raggiungere questo obiettivo.

L’atro co-primo autore dello studio, Can Wu, anche lui ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Bao, ha commentato: «Siamo davvero entusiasti di questi miglioramenti delle prestazioni perché ci consentono di fare molte cose nuove. I risultati preliminari dimostrano che il nostro transistor può essere utilizzato, ad esempio, per gestire display commerciali comunemente utilizzati nei monitor dei computer. E per le applicazioni biomediche, un sistema di rilevamento ad alta densità, morbido e conformabile potrebbe consentirci di percepire i segnali del corpo umano, come quelli provenienti dal cervello e dai muscoli, su larga scala e con una risoluzione precisa. Questo potrebbe portare a interfacce cervello-macchina di prossima generazione che siano sia ad alte prestazioni che biocompatibili».

I ricercatori hanno volutamente sviluppato materiali e processi che potrebbero funzionare con gli strumenti di fabbricazione esistenti, in modo che i circuiti possano passare più facilmente alla produzione commerciale. Il loro processo si basa su tecniche di fabbricazione simili a quelle attualmente utilizzate per realizzare schermi, sebbene i materiali coinvolti siano completamente diversi. Bao dice che «I produttori non sarebbero in grado di realizzare questi circuiti senza qualche ulteriore messa a punto, ma gli strumenti sono già pronti». Naturalmente, ci sono da superare diversi ostacoli prima che questi circuiti integrati estensibili e morbidi possano essere pronti per la commercializzazione: i movimento del corpo e dei tessuti può ancora causare qualche variazione nelle caratteristiche elettriche dei circuiti –  e Bao e il suo team stanno lavorando su nuovi progetti che potrebbero ridurre questi effetti – e i dispositivi avranno bisogno di una sorta di protezione morbida dall’umidità prima di poter essere utilizzati. .

Bao conclude: «Ci sono ancora sfide per il futuro di questa tecnologia, ma questi recenti sviluppi aprono la strada ad alcune applicazioni biomediche molto interessanti per l’elettronica indossabile e impiantabile. E ha anche applicazioni nella robotica morbida, conferendo ai robot una funzionalità di rilevamento che si avvicina a quella degli esseri umani e li rende più sicuri per le persone con cui lavorare».

Altri coautori di questo studio della Stanford – finanziato da SAIT, Samsung Electronics, Army Research Office, CZ Biohub-San Francisco, Stanford Wearable Electronics Initiative e National Science Foundation –  sono: Jeffrey Tok; Yuanwen Jiang (co-primo autore), Min-gu Kim, Chien-Chung Shih, Jian-Cheng La, Chuanzhen Zhao, Shiyuan Wei, Xiaozhou Ji, Yi-Xuan Wang, Chengyi Xu, Naoji Matsuhisa, Yusheng Lei, Deya Liu, Song Zhang, Yuto Ochiai, Yujia Yuan, Yuya Nishio, Weichen Wang, Theodore Z. Gao, Yu Zheng, Zhiao Yu, Huaxin Gong e Shuhan Liu.