I sensori di deformazione ispirati agli origami potrebbero migliorare la diagnostica delle malattie – Physics World

Un team di ricercatori della University of Southern California (USC) ha creato sensori di deformazione estensibili che misurano accuratamente deformazioni ampie e dinamiche, aprendo la strada a dispositivi impiantabili per rilevare deformazioni negli organi, nonché a una serie di potenziali applicazioni nei dispositivi indossabili e nella robotica morbida.

I sensori ispirati agli origami, descritti in Anticipi Scienza, sono dotati di elettrodi 3D pieghevoli che alterano la loro forma sotto deformazione. Questi cambiamenti portano a cambiamenti nella capacità, consentendo agli osservatori di misurare con precisione la deformazione locale. I sensori risultanti possiedono un ampio intervallo di deformazione, isteresi ultrabassa e risposte rapide: una combinazione unica di tre caratteristiche di rilevamento in un unico dispositivo.

Secondo l'autore corrispondente dell'articolo Hangbo Zhao, il progetto è stato motivato da conversazioni con colleghi che lavorano nel campo della robotica morbida, che "hanno espresso la necessità di sensori per misurare accuratamente le deformazioni nei loro robot morbidi e altamente deformabili".

«Sebbene sia stato svolto molto lavoro in quest’area, abbiamo identificato un’importante lacuna, ovvero lo sviluppo di sensori di deformazione in grado di misurare grandi deformazioni con elevata precisione in caso di uso ripetuto. Abbiamo ideato un nuovo design del sensore per superare questa sfida utilizzando elettrodi 3D su piccola scala per il rilevamento capacitivo”, afferma.

Zhao osserva che i sensori hanno altre caratteristiche interessanti, come dimensioni ridotte e risposte alla deformazione direzionale, tutte altamente desiderabili nel rilevamento della deformazione. "Sono anche piccoli e morbidi e puoi attaccare facilmente un sensore a un oggetto target, in modo simile ad attaccare una benda, per misurare la deformazione nella posizione del sensore", spiega.

Funzione dell'organo

Nell’ambito della ricerca, il team ha utilizzato i sensori per monitorare le deformazioni dei bracci morbidi continui – rappresentazioni di bracci robotici morbidi – facendone aderire diversi sui singoli bracci e misurando le risposte. Analizzando le risposte dei sensori, i ricercatori sono stati in grado di distinguere diverse modalità di deformazione. Poiché i sensori possono misurare con precisione deformazioni ampie e rapide, il team prevede un'ampia gamma di potenziali applicazioni, in particolare in medicina e sanità.

“Questi sensori possono potenzialmente fungere da dispositivi biomedici indossabili o impiantabili per il monitoraggio sanitario. Ad esempio, possono essere utilizzati per tracciare i movimenti articolari o osservare le attività dinamiche di diversi organi”, afferma Zhao.

Un'altra potenziale applicazione significativa è il monitoraggio della funzione degli organi, ad esempio l'individuazione della sindrome della vescica iperattiva, una condizione caratterizzata da un bisogno frequente e improvviso di urinare. Impiantando i sensori di deformazione, Zhao afferma che i medici potrebbero monitorare continuamente i modelli di espansione e contrazione della vescica, offrendo informazioni dettagliate sul suo comportamento durante il giorno.

"Questi dati possono essere fondamentali per diagnosticare la gravità della condizione e sviluppare piani di trattamento personalizzati, migliorando così in modo significativo la gestione della sindrome della vescica iperattiva rispetto agli attuali metodi di valutazione intermittente", spiega. “Dati così dettagliati e in tempo reale potrebbero potenzialmente rivoluzionare l’approccio alla gestione di condizioni come queste”.

Dispositivi impiantabili

Alla fine, dice Zhao, i sensori potrebbero essere modificati per soddisfare i requisiti di biocompatibilità ed ermeticità e utilizzati come dispositivi impiantabili collegati agli organi. Un potenziale vantaggio del loro utilizzo per tali applicazioni è il fatto che sono morbidi ed elastici, il che significa che possono misurare accuratamente le deformazioni di organi di grandi dimensioni con il minimo disagio.

I sensori possono anche misurare continuamente le deformazioni per fornire informazioni sugli stati funzionali degli organi – mentre gli approcci esistenti si basano principalmente su tecniche di imaging come gli ultrasuoni, ad esempio, che sono disponibili solo in ambito ospedaliero.

Il sensore di deformazione per l'elettronica indossabile combina un'elevata sensibilità con un ampio raggio di rilevamento

“I sensori impiantabili sono ancora per lo più in fase di ricerca, in particolare i sensori per misurare la deformazione degli organi. I nostri attuali sensori non sono ancora adatti per l'uso negli organi, ma è possibile dopo alcune modifiche”, afferma Zhao.

Il team sta ora ottimizzando le prestazioni dei sensori per rendere i dispositivi più affidabili per l'uso pratico in diversi ambienti. Ciò include, ad esempio, renderli più robusti dal punto di vista meccanico contro le forze di contatto o le interferenze elettromagnetiche. "Stiamo anche esaminando come modificare i sensori per applicazioni impiantabili in modo che possano funzionare in modo affidabile nell'ambiente dei fluidi corporei", aggiunge Zhao.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/origami-inspired-strain-sensors-could-enhance-disease-diagnostics/