Il team di ricerca di Stefan Seelecke presso l'Università della Saarland sta utilizzando sottili pellicole di silicone per conferire alle superfici nuove funzionalità. Questa tecnologia, in grado di ricreare la sensazione di un "pulsante" o di uno "swipe" su schermi di vetro piatti, sta letteralmente aggiungendo una nuova dimensione alle interazioni touchscreen. La pellicola polimerica può cambiare forma a piacimento per creare la sensazione di un pulsante o di un tasto in rilievo sulla superficie dello schermo, che l'utente può quindi utilizzare, ad esempio, per navigare tra le pagine o inserire dati. "Grazie a questa tecnologia, possiamo rendere più facili da usare le interfacce utente di smartphone, display informativi e dispositivi domestici", spiega il professor Stefan Seelecke, responsabile del Laboratorio di Sistemi di Materiali Intelligenti presso l'Università della Saarland. Se l'utente percepisce un impulso o una vibrazione sotto le dita, può rispondere toccando lo schermo. E poiché l'utente percepisce anche la leggera resistenza che si avverte premendo un pulsante o un interruttore "reale", sa che la sua risposta è andata a buon fine. Per le persone non vedenti e ipovedenti, questo tipo di feedback fisico non è un semplice espediente, ma ha un valore enorme nella loro vita quotidiana.
Se queste pellicole ad alta tecnologia vengono utilizzate per rivestire gli indumenti, possono anche fungere da interfaccia tattile uomo-macchina. Un esempio di questo tipo di applicazione potrebbe essere quello di rivestire completamente l'interno del guanto di un operaio addetto all'assemblaggio con una pellicola polimerica altamente flessibile ed elastica, utilizzandola come sensore per consentire a un sistema informatico di tracciare i movimenti della mano e delle dita dell'operaio. "La nostra tecnologia ci permette di rendere il sistema più intelligente introducendo un sensore complesso in un guanto che l'operatore indosserebbe comunque", afferma Seelecke. E poiché le pellicole hanno uno spessore di soli 50 micron (1 micron = un millesimo di millimetro), paragonabile alla pellicola trasparente per alimenti, non interferiscono con il lavoro dell'operatore. Se questo tipo di guanto interattivo viene utilizzato in un ambiente Industria 4.0, il sistema può riconoscere l'azione che chi lo indossa sta cercando di eseguire.
“L’operatore potrebbe, ad esempio, controllare un processo tramite il movimento della mano. Quando si lavora con apparecchiature complesse in impianti industriali, il sistema potrebbe contribuire a evitare errori potenzialmente costosi inviando un segnale tattile, come un tocco, un impulso o una vibrazione, alla mano o alle dita dell’operatore”, ha spiegato Stefan Seelecke, che dirige gruppi di ricerca presso l’Università della Saarland e il Centro per la Meccatronica e la Tecnologia dell’Automazione (ZeMA).
Le pellicole di silicone appositamente preparate sono sistemi di materiali intelligenti che possono essere alimentati semplicemente applicando una corrente elettrica. Uno strato altamente flessibile ed elettricamente conduttivo viene stampato su ciascun lato della pellicola di silicone ultrasottile per creare quello che è noto come un “elastomero dielettrico”. Quando viene applicata una tensione all’elastomero, i due elettrodi si attraggono, comprimendo il polimero e causandone l’espansione laterale, aumentando la sua superficie, il che a sua volta modifica la capacità elettrica della pellicola”, spiega Paul Motzki, ricercatore nel team di Seelecke.
Quando l'operatore piega un dito mentre indossa il guanto, la pellicola si allunga come una seconda pelle e questa deformazione provoca una variazione di capacità. I ricercatori sono in grado di assegnare con precisione un valore di capacità a ciascuna posizione della pellicola durante la deformazione. Pertanto, uno specifico valore di capacità rappresenta essenzialmente una particolare posizione del dito dell'operatore e una sequenza di valori di capacità rappresenta il percorso seguito dal dito durante il movimento. La pellicola funge quindi da sensore estensibile che può essere utilizzato come organo sensoriale in applicazioni ingegneristiche. Il guanto può percepire i movimenti della mano e il touchscreen intelligente può rilevare se l'utente ha premuto un pulsante virtuale.
Combinando dati di misurazione e algoritmi intelligenti, il team ha sviluppato un'unità di controllo in grado di prevedere e programmare sequenze di movimento, controllando così con precisione la deformazione della pellicola elastomerica. "Sfruttiamo le proprietà di questi elastomeri dielettrici per progettare sistemi di azionamento", spiega Sophie Nalbach, l'ingegnere a capo del Gruppo Polimeri Elettroattivi, parte del Laboratorio di Sistemi di Materiali Intelligenti del Professor Seelecke. Modificando il campo elettrico applicato, i ricercatori possono far pulsare la pellicola, farle assumere una forma desiderata, oppure farla oscillare o flettere a una frequenza specifica. Se combinato con il sistema di polimeri elettroattivi, un guanto industriale può interagire con chi lo indossa, o uno schermo può interagire con l'utente. "Se posizioniamo il sottile schermo di vetro di un tablet sulla pellicola polimerica, questa può eseguire un movimento di flessione molto rapido sotto la punta del dito dell'utente, dandogli l'impressione che il suo dito si trovi su un pulsante o un tasto", spiega Nalbach.
Attualmente, il team sta lavorando a diversi progetti di ricerca volti a interconnettere questi sistemi di azionamento basati su pellicola, in modo che possano comunicare e cooperare collettivamente. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori dovranno aggiungere nuove funzionalità alle superfici e alle interfacce, il che a sua volta richiede un'ulteriore miniaturizzazione della tecnologia.
I fogli di elastomero dielettrico sono leggeri, flessibili, silenziosi, efficienti dal punto di vista energetico e convenienti da produrre. Il lavoro svolto dal gruppo di Seelecke è una ricerca orientata alle applicazioni. Tuttavia, il team desidera sviluppare questo e altri sistemi di materiali intelligenti per applicazioni commerciali e industriali, motivo per cui è stata fondata la società spin-off "mateligent GmbH".
