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Aug 07, 2023

L'elettronica curvy fa un passo avanti verso la produzione di massa ispirandosi alle carte di caramelle

Immagina una palla da baseball con un sensore curvo sulla pelle in grado di raccontare ai lanciatori ogni dettaglio della loro prestazione. Immagina una lente a contatto con incorporato un microchip flessibile in grado di leggere

Immagina una palla da baseball con un sensore curvo sulla pelle in grado di raccontare ai lanciatori ogni dettaglio della loro prestazione. Immaginate una lente a contatto con incorporato un microchip flessibile in grado di leggere i livelli di glucosio nell'occhio, in modo che i diabetici non debbano pungersi le dita.

Queste sono solo alcune delle applicazioni che gli ingegneri stanno immaginando per l'elettronica curva e flessibile. Ma fino ad ora non esisteva un metodo praticabile di produzione di massa. Ciò potrebbe cambiare, grazie a un recente articolo su Science Advances, che descrive in dettaglio un metodo elegante per avvolgere l’elettronica tradizionalmente bidimensionale, prodotta in serie su fogli piatti e planari, attorno a superfici curve.

"È proprio come avvolgere una caramella", afferma il co-autore senior Xue Feng, professore di ingegneria all'Università Tsinghua, a Pechino, in Cina. L'involucro è un aereo 2D, spiega, ma può deformarsi per abbracciare una caramella rotonda.

La maggior parte dei dispositivi elettronici indossabili oggi, ad esempio i chip di elaborazione di un Apple Watch, sono incorporati in wafer piatti di silicio (vedi La tecnologia indossabile incontra l'arte del tatuaggio nel tentativo di rivoluzionarli entrambi). Il corpo dell'orologio è piatto. All'inizio di questo recente lavoro, il co-autore senior Ying Chen, un ingegnere elettrico presso l'Istituto di tecnologia elettronica flessibile dell'Università Tsinghua di Zhejiang, ha provato a piegare e flettere i chip di silicio per avvolgere una superficie curva. "Ma il silicio è fragile, rigido e difficile da deformare", afferma. "È facile fratturarsi."

Chen ha iniziato a cercare soluzioni alternative e si è imbattuto in un articolo di matematica del 2009. Presentava soluzioni teoriche su come avvolgere in modo più efficiente un oggetto rotondo in un foglio piatto, evitando le pieghe che avrebbero sprecato materiale. Sulla base delle equazioni contenute in quell'articolo, Chen e Feng hanno utilizzato la modellazione geometrica per progettare la forma più efficiente per un foglio 2D che potesse facilmente avvolgere una curva. Invece di un rettangolo, come un pezzo di carta che avvolge un palloncino, hanno scoperto che la forma più efficiente è simile a un fiore pressato con petali che possono chiudersi attorno a un oggetto curvo. Invece del fragile silicio, hanno utilizzato elastomeri elastici, materiali semiconduttori e metalli.

La domanda successiva era come avvolgere fisicamente i petali attorno a un oggetto curvo, in modo che cadano esattamente nella stessa posizione per migliaia di oggetti identici fabbricati su una linea di produzione. "L'allineamento è importante", afferma Chen, perché in definitiva potrebbe influenzare la funzione del prodotto.

All'inizio, piegava delicatamente a mano i petali su oggetti rotondi, quindi staccava un supporto e utilizzava la luce UV per polimerizzare l'elettronica sulla superficie curva. Per automatizzare il processo, lei e Feng hanno progettato una pressa delicata, in cui il foglio a forma di petalo e l'oggetto rotondo sono entrambi posizionati all'interno di un tubo sottile, largo circa un centimetro, la larghezza di una provetta. Un palloncino si gonfia quindi all'interno del tubo, esercitando una pressione delicata ed uniforme sui petali, in modo che si avvolgano sull'oggetto ricurvo.

I petali avvolgono questa sfera in modo molto più efficiente di quanto farebbe un foglio rettangolare. Credito immagine: Xingye Chen, Xue Feng, Ying Chen

Una delle sfide principali nel tentativo di produrre sensori curvi "è effettivamente applicarli all'oggetto che ci sta a cuore", afferma Tyler Ray, professore di ingegneria meccanica presso l'Università delle Hawai'i a Mānoa. Questi autori hanno ideato un “metodo intelligente ed elegante”, dice, per produrre sensori utilizzando metodi 2D tradizionali e poi farli aderire a oggetti tridimensionali. Ray nota, tuttavia, che esistono altri modi per eseguire questo compito, ad esempio utilizzando metodi di stampa 3D, anziché la stampa a trasferimento suggerita qui. Ma la bellezza di questo metodo, sottolinea, è che si basa su tecniche di produzione ben comprese e ben controllate, mentre la stampa 3D richiederebbe più tempo e sarebbe più costosa per unità.

L'ingegnere biomedico Philipp Gutruf afferma di ritenere che l'approccio scalabile e le linee guida di progettazione fornite da questo articolo costituiscano una preziosa aggiunta alla letteratura. Ha visto l'approccio generale di avvolgere modelli 2D attorno a oggetti 3D dimostrato in altri articoli, ad esempio avvolgendo il cuore in un dispositivo wireless per il controllo e il monitoraggio nei topi. Ma l’approccio scalabile in questo caso è nuovo e le linee guida di progettazione per le forme sferiche potrebbero essere molto utili, osserva Gutruf, dell’Università dell’Arizona a Tucson. Resta da vedere se questo lavoro sia applicabile ad altre forme complesse, del tipo richiesto per i dispositivi biomedici.