I sensori biodegradabili sono stati considerati da Gartner una tra le novità distruptive più degne di nota. La società di ricerca americana, infatti, dopo aver analizzato l’intero ventaglio di proposte tecnologiche innovative (circa 1.700), ha inserito i biodegradable sensor nel suo Hype Cycle for Emerging Technology 2020, segnalandoli come trend di lungo periodo. La previsione di Gartner indica un pieno sviluppo di questa tecnologia tra una decina d’anni, tuttavia la ricerca sta facendo passi da gigante e le prime applicazioni dei sensori biodegradabili sono già in sperimentazione.
Biodegradable sensor tra i protagonisti dell’Hype Cycle
L’Hype Cycle di Gartner fornisce un’indicazione temporale entro la quale le tecnologie raggiungeranno il loro picco di adozione. I sensori biodegradabili compaiono nell’Hype Cycle 2020 nella sezione degli Innovation Trigger, in una posizione intermedia in relazione alle aspettative da parte del mercato (in altri termini, circa a metà nell’asse delle ordinate).
Vero è, però, che alcune situazioni contingenti di mercato hanno il potere di accelerare o ritardare l’evoluzione della ricerca. Nell’anno della pandemia da Covid19, proprio il 2020 , gli scienziati hanno recepito le esigenze, a livello globale, di una maggiore digitalizzazione di ogni attività umana e la pressione verso il rispetto ambientale.
Cosicché la tecnologia dei sensori biodegradabili pare stia scalando la parabola dell’Hype Cycle verso il suo vertice in maniera leggermente diversa rispetto alle previsioni.
Parleremo nei prossimi paragrafi delle frontiere di questa tecnologia per comprendere come, tutto sommato, è plausibile pensare a una maggiore velocità di sviluppo.
In attesa della pubblicazione dell’Hype Cycle 2021, che eventualmente confermi questa accelerazione percepita, cominciamo a sondare la novità, il suo senso e il possibile impatto sul mercato.
Cosa si intende per sensore biodegradabile? E perché si è sentita l’esigenza di sviluppare una simile tecnologia?
Natura e pervasività dei sensori: dal silicio alla biodegradabilità
A differenza di un dispositivo tradizionale, il sensore biodegradabile è integrato a un substrato di materiale innovativo che si decompone naturalmente nel tempo. Posto che le funzioni del sensore in generale rimangono le stesse, la versione biodegradabile del dispositivo permette: un minore impatto ambientale a fine vita; la possibilità di non procedere alla rimozione una volta acquisiti i dati di monitoraggio richiesti.
Si tratta di vantaggi niente affatto trascurabili.
Un sensore tradizionale, infatti, è un dispositivo elettromeccanico miniaturizzato integrato a un substrato di materiale semiconduttore, generalmente il silicio.
Negli anni passati la ricerca ha prodotto dispositivi in grado di rivoluzionare la progettazione dei sistemi elettronici e informatici. Parliamo delle tecnologie Mems (micro electro mechanical system) e Nems (nano electro mechanical system) che hanno permesso ai sistemi elettromeccanici applicazioni fino a qualche tempo prima inimmaginabili. A godere maggiormente di questo avanzamento tecnologico sono stati proprio i produttori di sensori.
Automazione, consumer electronics, biomedicale, fitness, controllo e monitoraggio dell’ambiente, automotive, ecc. sono i settori che più hanno beneficiato della rivoluzione hi-tech trainata dalla miniaturizzazione in questo campo.
Consumi di potenza elettrica bassissimi, costi estremamente ridotti, dimensioni microscopiche hanno permesso la semplice integrazione di questi dispositivi in ogni tipologia di prodotto.
Oggi esiste un’infinità di sensori capaci di rilevare ogni fenomeno fisico e trasformarlo in un output digitale: temperatura, fumo, gas, colore, umidità, prossimità, flusso, vibrazioni, urti, pressione, eccetera.
La sola sostituzione del silicio con substrati biodegradabili consente la nascita di nuovi filoni di ricerca con applicazioni rivoluzionarie. La natura dei sensori, però, è destinata a cambiare radicalmente.
Ottime in prospettive in molti campi diversi
Sono molti i team di ricerca nel mondo impegnati sullo sviluppo di biodegradable sensor.
Vediamone solo alcuni esempi, che lasciano intravedere le enormi potenzialità della tecnologia che stiamo analizzando:
Ambiente
L’Istituto Italiano di Tecnologia (IiT), per esempio, ha recentemente annunciato il progetto I-Seed, che mira a costruire robot intelligenti e biodegradabili ispirati ai semi e alla loro capacità di autodistribuirsi e penetrare nel terreno.
Attraverso questi futuri robot miniaturizzati e costruiti con materiali biodegradabili soffici e fluorescenti, sarà possibile monitorare lo stato del suolo, la presenza di inquinanti, la temperatura, l’umidità, la CO2, consentendo di preservare l’equilibrio degli ecosistemi e salvaguardare la biodiversità.
Anche l’ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile) ha annunciato un filone di ricerca nel campo del controllo ambientale. Si tratta del Progetto Sensible – Sensori autonomi e biodegradabili per il monitoraggio ambientale negli edifici. L’utilizzo dei futuri sensori consentirà un notevole risparmio energetico, domestico e industriale, e il mantenimento di un’aria salubre. I dispositivi saranno costruiti con biomateriali come gelatina e cellulosa recuperati come scarti industriali.
Alimentare
Anche le applicazioni nel campo dell’alimentare lasciano immaginari sviluppi enormi nei prossimi anni. Gli Istituti ETH , per esempio, stanno lavorando allo sviluppo di un sensore per la temperatura, più sottile di un capello, biodegradabile in poco più di 2 mesi, che potrebbe essere utilizzato nei lunghi trasporti di alimenti deperibili come il pesce, per migliorare gli standard di sicurezza alimentare. In questo caso si tratta di un filamento ultra sottile di magnesio, nitruro e biossido di silicio avvolto in un polimero compostabile prodotto con amido di mais e patate.
Anche l’Imperial College di Londra ha lavorato a sensori biodegradabili. In questo caso i dispositivi rilevano i gas deterioranti, come ammoniaca e trimetilammina, e sono composti da elettrodi di carbonio stampati su carta di cellulosa.
Nuove frontiere in Medicina
Le applicazioni in Medicina meritano un paragrafo a parte, vista l’importanza che rivestiranno per la salute dell’umanità. Dalla diagnostica all’Healthcare, la tecnologia dei sensori già consente il monitoraggio di alcuni parametri fisiologici. I dispositivi vengono impiantati nel corpo dei pazienti e poi rimossi chirurgicamente.
La prospettiva di sviluppo più prossima riguarda proprio la bioriassorbibilità dei sensori, in modo da evitare danni e infiammazioni ai tessuti e operazioni di recupero in sala operatoria.
In un futuro prossimo sarà possibile monitorare da remoto i pazienti cronici o in riabilitazione post-operatoria, attraverso dispositivi miniaturizzati bioriassorbibili, iniettabili o ingeribili.
Le prospettive di diagnosi in real-time e in autonomia promettono di cambiare i concetti di cura e prevenzione delle patologie
Gli studi attuali si concentrano principalmente sul morbo di Parkinson e sul cancro.
Altri studi in corso riguardano i sensori biodegradabili costruiti su substrati di polimeri incapsulanti, come le proteine della seta. Gli elettrodi metallici sono costituiti da Magnesio, Ferro, Zinco, Molibdeno o Tungsteno; i materiali semiconduttori sono il Silicio, il Germano e l’Ossido di Zinco. Molti sensori già in fase di sperimentazione sono costruiti su nanomembrane in silicio, flessibili e biodegradabili.
L’ultima frontiera, però è il Grafene, materiale a due dimensioni (2D) dallo spessore nell’ordine degli atomi e con eccellenti proprietà meccaniche, sul quale sono stati sviluppati decine di sensori in una prospettiva interdisciplinare (medicina, chimica, biologia, meccanica, elettronica).
