Una batteria flessibile, morbida e allungabile: come un'anguilla elettrica

Un team di ricercatori dell’Università di Cambridge ha sviluppato delle batterie gelatinose, morbide e allungabili, che potrebbero rivoluzionare il mercato dei dispositivi indossabili, la robotica e persino aprire nuovi orizzonti per i dispositivi impiantabili nel cervello (somministrazione di farmaci o il trattamento di condizioni come l’epilessia).

Il gruppo di studiosi accademici ha tratto ispirazione dalle anguille elettriche, che stordiscono le loro prede utilizzando cellule muscolari chiamate elettrociti. I materiali gelatinosi ingegnerizzati a Cambridge sono contraddistinti da una struttura a strati, simile a mattoncini Lego adesivi, che permette di erogare una corrente elettrica.

Proprietà uniche delle nuove batterie ispirate alle anguille elettriche: estensibilità e conduttività

Le batterie gelatinose proposte dai ricercatori universitari britannici possono allungarsi fino a oltre dieci volte la loro lunghezza originale, senza compromettere la loro conduttività. Si tratta di un rislutato mai raggiunto prima che sfrutta le proprietà di idrogel, reti tridimensionali di polimeri che contengono oltre il 60% di acqua. I polimeri sono mantenuti insieme da interazioni reversibili he controllano le proprietà meccaniche del gel stesso.

L’immagine è tratta da “Highly stretchable dynamic hydrogels for soft multilayer electronics” (ScienceAdvances).

La capacità di controllare con precisione le proprietà meccaniche e di imitare le caratteristiche dei tessuti umani, rende gli idrogel candidati ideali per la robotica morbida e la bioelettronica.

La robotica morbida si occupa dello sviluppo di macchine costruite con materiali flessibili e deformabili, in contrasto con i tradizionali robot rigidi. Questi robot sono progettati per imitare la flessibilità e l’adattabilità dei tessuti biologici, permettendo loro di muoversi e interagire con gli oggetti in modo più naturale e sicuro.

Tuttavia, per tali applicazioni, i materiali adoperati devono essere sia conduttivi che estensibili. “È difficile progettare un materiale che sia altamente estensibile e altamente conduttivo, poiché queste due proprietà sono normalmente in conflitto tra loro“, ha dichiarato Stephen O’Neill, Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied di Cambridge, primo autore dello studio. “Tipicamente, la conduttività diminuisce quando un materiale viene allungato“.

La bioelettronica è un campo interdisciplinare che combina la biologia e l’elettronica per sviluppare dispositivi in grado di interagire direttamente con i sistemi biologici. Questi dispositivi sono progettati per monitorare, stimolare o sostituire funzioni biologiche. I possibili risvolti sono interessanti in ottica futura: ne parliamo nell’articolo in cui ci chiediamo se e quando l’intelligenza artificiale supererà quella umana.

Caratteristiche degli idrogel

Gli idrogel aderiscono fortemente tra loro grazie a legami reversibili che possono formarsi tra i diversi strati, utilizzando molecole a forma di barile chiamate cucurbiturili. A detta dei ricercatori, agiscono come “manette molecolari” che garantiscono un’adesione forte tra gli strati. Così, le batterie gelatinose possono allungarsi senza che gli strati si separino e, cosa cruciale, senza perdita di conduttività.

“Normalmente, gli idrogel sono fatti di polimeri a carica neutra, ma se li carichiamo, possono diventare conduttivi“, ha spiegato la co-autrice Jade McCune. “Cambiando la componente salina di ogni gel, possiamo renderli adesivi e schiacciarli insieme in più strati, aumentando così il potenziale energetico“.

Le proprietà delle batterie gelatinose le rendono promettenti per l’uso futuro in impianti biomedici, poiché sono morbide e si adattano ai tessuti umani. Oltre alla loro morbidezza, gli idrogel sono sorprendentemente resistenti. Possono sopportare compressioni estreme senza perdere permanentemente la loro forma originale e possono autoripararsi quando danneggiati.

Prospettive future

I ricercatori stanno pianificando esperimenti futuri per testare gli idrogel in organismi viventi, al fine di valutare la loro idoneità per una vasta gamma di applicazioni mediche. La ricerca di Cambridge ha ricevuto il finanziamento del Consiglio Europeo della Ricerca e del Consiglio di Ricerca Ingegneristica e delle Scienze Fisiche (EPSRC).

“Possiamo personalizzare le proprietà meccaniche degli idrogel in modo che si adattino ai tessuti umani“,  ha affermato il professor Oren Scherman, direttore del Melville Laboratory for Polymer Synthesis, che ha guidato la ricerca in collaborazione con il professor George Malliaras. “Poiché non contengono componenti rigidi come il metallo, un impianto di idrogel avrebbe molte meno probabilità di essere respinto dal corpo o di causare la formazione di tessuto cicatriziale“.

Le batterie gelatinose rappresentano una svolta significativa nel campo dei materiali conduttivi e flessibili, aprendo nuove strade per innovazioni tecnologiche che potrebbero migliorare notevolmente la qualità della vita umana.

L’immagine in apertura è tratta dall’Università di Cambridge.