Modifica della forma con un clic

Sopra: La rigidità e la variazione di forma possono essere regolate localmente attraverso la strutturazione di una pellicola. In basso: L'impilamento di pellicole di altezze diverse permette la creazione di un materiale programmabile. © Fraunhofer ICT / In alto: La rigidità e la variazione di forma possono essere regolate localmente attraverso la strutturazione di una pellicola. In basso: L'impilamento di pellicole di altezze diverse permette la creazione di un materiale programmabile. © Fraunhofer ICT

Link: Celle unitaria composta da elementi strutturali, Al centro: Struttura del materiale composta da molte celle, A destra: Dimostratore stampato in 3D. © Fraunhofer IWM / Sinistra: Cellula unitaria fatta di elementi strutturali, Al centro: Struttura del materiale da molte celle, A destra: Dimostratore stampato in 3D. © Fraunhofer IWM

I materiali programmabili sono veri e propri trasformatori di forma. Con un semplice clic, modificano controllata e reversibilmente le loro proprietà e si adattano autonomamente a nuove condizioni. Gli ambiti di applicazione includono, ad esempio, il comfort durante la seduta o i materassi, che prevengono le piaghe da decubito. In questo modo, il supporto si deforma in modo che la superficie di appoggio sia ampia e la pressione sui parti del corpo venga così ridotta. Ricercatori del Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM sviluppano tali materiali programmabili e li portano, insieme ai partner industriali, alla maturità di mercato. L'obiettivo è, tra l'altro, ridurre l'uso delle risorse.

Numerose persone in tutto il mondo sono colpite da piaghe da decubito – sia a causa di malattie, incidenti o invecchiamento. Poiché spesso non riescono a muoversi o girarsi da soli, può insorgere un dolore molto intenso a causa delle piaghe. Con materiali la cui forma e proprietà meccaniche possono essere modificate programmabilmente in ogni punto, si intende prevenire in futuro le piaghe da decubito. Ad esempio, la durezza e la rigidità di materassi realizzati con materiali programmabili potrebbero essere impostate in qualsiasi area con un semplice clic. Inoltre, il supporto si deforma autonomamente in modo che una pressione elevata in un punto venga distribuita su una superficie più ampia. Il letto diventa automaticamente più morbido ed elastico dove si esercita pressione. Inoltre, gli operatori sanitari possono regolare in modo mirato una posizione ergonomica di riposo, specifica per il paziente.

Materiale più microstrutturazione

I ricercatori del Fraunhofer CPM, che si distingue per sei istituti principali, sviluppano materiali per applicazioni che richiedono una modifica mirata della rigidità o della forma, con l'obiettivo di progettare e produrre materiali programmabili. Ma come si possono programmare i materiali? «Fondamentalmente, abbiamo due leve: il materiale di base – nel caso dei materassi, polimeri termoplastici, per altre applicazioni leghe metalliche, anche leghe a memoria di forma – e soprattutto la microstruttura», spiega il Dr. Heiko Andrà, portavoce del focus tematico presso l'Istituto Fraunhofer per la Matematica Tecnologica e Economica ITWM, uno degli istituti principali del Fraunhofer CPM. «La microstruttura dei cosiddetti metamateriali è composta da singole celle, che a loro volta sono costituite da elementi strutturali come piccole travi e sottili gusci.» Mentre la dimensione delle singole celle e dei loro elementi strutturali varia casualmente nei materiali cellulari tradizionali come le schiume, nei materiali programmabili questa variabilità è anche possibile, ma precisamente definita – cioè programmata.

Questa programmazione avviene, ad esempio, in modo che una pressione in una posizione specifica porti a modifiche desiderate della forma in altre parti del materasso, al fine di aumentare l'area di appoggio e sostenere in modo ottimale le zone del corpo.

I materiali possono anche reagire al calore o all'umidità

Quale modifica della forma il materiale deve mostrare e a quali stimoli deve rispondere – sollecitazione meccanica, calore, umidità o anche un campo elettrico o magnetico – può essere determinato anche dalla scelta del materiale e della sua microstruttura. «I materiali programmabili permettono di adattare gli oggetti all'applicazione o alla persona specifica, rendendo così le cose più multifunzionali rispetto al passato. Non devono essere sostituiti così spesso. Soprattutto considerando il consumo di risorse, questo è interessante», afferma Franziska Wenz, viceportavoce del focus tematico presso l'Istituto Fraunhofer per la Meccanica dei Materiali IWM, anch'esso uno degli istituti principali del Fraunhofer CPM. Inoltre, si può creare un valore aggiunto adattando gli oggetti alle esigenze individuali degli utenti.

Il percorso verso l'applicazione

Un singolo materiale può sostituire interi sistemi di sensori, regolatori e attuatori. L'obiettivo del Fraunhofer CPM è, attraverso l'integrazione delle funzioni nel materiale, ridurre la complessità dei sistemi e l'uso delle risorse. «Durante lo sviluppo dei materiali programmabili, abbiamo sempre in mente il prodotto industriale, considerando tra l'altro la produzione in serie e l'usura del materiale», afferma Wenz. Sono già in corso anche alcuni progetti pilota concreti con partner industriali. Il team di ricerca prevede che i materiali programmabili sostituiranno inizialmente singoli componenti in sistemi già esistenti o saranno utilizzati in applicazioni specifiche – ad esempio in materassi medici, sedili, suole di scarpe e abbigliamento protettivo. «Gradualmente, la quota di materiali programmabili potrebbe aumentare», stima Andrà. Questi possono essere utilizzati ovunque – sia in articoli medici e sportivi, nella robotica morbida, sia nella ricerca spaziale.