Quando la sua sottile pellicola polimerica viene integrata nel guanto di un operaio addetto all'assemblaggio o posizionata su uno schermo, funge da mediatore interattivo, segnalando al sistema informatico ciò che l'operatore umano desidera e fornendo all'utente un feedback tattile sotto forma di impulsi, vibrazioni o tocchi, oppure un feedback acustico sotto forma di segnali acustici.
Che si tratti di un controller, una tastiera o un mouse, quando vogliamo comunicare con un computer, in genere premiamo pulsanti o tasti. Questo limita la nostra comunicazione negli ambienti virtuali e tende a rendere l'interazione meno naturale rispetto alla comunicazione diretta tra due persone. Quando interagiamo con i computer, ci concentriamo sulla ricerca del pulsante o del tasto giusto sul nostro dispositivo di input. I computer in genere non sono in grado di comprendere i nostri gesti o i movimenti delle dita a meno che non vengano aggiunti sensori speciali, telecamere o altre tecnologie di tracciamento del movimento.
Ma la nuova tecnologia sviluppata da Stefan Seelecke e dal suo team non richiede strumenti, sensori o telecamere aggiuntivi: utilizza semplicemente una pellicola polimerica che fornisce al computer un nuovo organo sensoriale. La pellicola funge essenzialmente da mezzo per l'interazione e la comunicazione spontanea tra un utente umano e una macchina. Le pellicole che utilizziamo hanno uno spessore di soli 50 micron circa (1 micron = 1 millesimo di millimetro), il che le rende molto sottili e leggere. Le pellicole sono pronte all'uso e non richiedono tecnologie aggiuntive per trasformarle in sensori e/o attuatori flessibili ed elasticamente deformabili: sono, di fatto, una sorta di micromotore", spiega Stefan Seelecke, professore di Sistemi di Materiali Intelligenti presso l'Università della Saarland, che, insieme al suo team di ricerca, studia queste pellicole polimeriche intelligenti presso lo ZeMA (Centro per la Tecnologia di Meccatronica e Automazione) di Saarbrücken. In pratica, ciò significa che se la pellicola viene applicata a una superficie tessile o a un altro oggetto, può iniziare a fornire informazioni a un computer. Fornisce un feedback all'utente sotto forma di segnali aptici (impulsi, vibrazioni o movimenti di spinta) o segnali acustici (suoni).
La gamma di potenziali applicazioni per questi tessuti o superfici intelligenti è immensa. Ad esempio, un guanto da gioco o un guanto industriale dotato della pellicola consentirebbe all'utente di comunicare virtualmente usando la mano, uno degli strumenti di comunicazione più importanti utilizzati dagli esseri umani. Giacomo Morretti e Sebastian Gratz-Kelly, due membri del team di ricerca di Seelecke, hanno dotato un guanto industriale della pellicola e il guanto può ora comunicare al sistema informatico come l'operatore muove la mano e dita. In un ambiente virtuale di Industria 4.0, il guanto intelligente potrebbe utilizzare il riconoscimento dei gesti per aiutare l'utente a selezionare un componente da installare o facilitare le misurazioni della forza di presa per assistere l'operatore nel serraggio delle viti. Il guanto potrebbe anche utilizzare segnali acustici per avvisare l'utente se è stato commesso un errore durante il processo di assemblaggio. L'operatore potrebbe anche controllare vari processi semplicemente gesticolando o muovendo la mano. Non ci vuole molta immaginazione per capire che combinare guanti e tessuti intelligenti con un visore per la realtà virtuale consentirebbe un'interazione molto più intuitiva e realistica nei giochi e negli ambienti di lavoro virtuali rispetto a un controller per videogiochi.
Un'altra applicazione promettente è l'incorporazione della pellicola negli indumenti indossati dai bambini nei reparti di isolamento ospedaliero per sperimentare il contatto fisico con i loro genitori. Un maglione dotato della pellicola intelligente potrebbe fungere da seconda pelle, trasmettendo abbracci e carezze al bambino quando la mamma o il papà accarezzano un secondo tessuto intelligente. Quest'ultima applicazione fa parte del progetto "Multi-Immerse" del Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR) del Centro Saarland per le neurotecnologie digitali (CDNS). Il team di Seelecke sta collaborando al progetto con un gruppo di ricerca guidato dalla Professoressa Martina Martina Lehser (htwsaar/ZeMA), il professor Daniel Strauss e il professor Michael Zemlin (Homburg/Saar Medical School). "Vogliamo offrire ai bambini ricoverati in isolamento ospedaliero e ai loro genitori l'opportunità di incontrarsi e interagire in uno spazio virtuale sicuro. Il nostro obiettivo è creare un ambiente realistico e coinvolgente dal punto di vista emotivo, in cui il bambino e i suoi genitori possano interagire virtualmente utilizzando la vista, l'udito e, soprattutto, il tatto", spiega Martina Lehser.
“Dal punto di vista ingegneristico, la pellicola è un elastomero dielettrico che ci permette di combinare funzioni di sensore, attuatore e acustiche”, spiega Paul Motzki, professore interistituzionale di sistemi di materiali intelligenti per la produzione innovativa presso l'Università della Saarland e ZeMA, dove dirige l'area di ricerca “Smart Materials Systems”. “La pellicola polimerica di silicone è stampata su entrambi i lati con un materiale elettricamente conduttivo che reagisce alle variazioni dei campi elettrici e ha un consumo energetico estremamente basso. Se viene applicata una tensione alla pellicola, le conseguenti forze di attrazione elettrostatica ne provocano la compressione. Quando compressa, la pellicola si espande lateralmente e aumenta la sua superficie, il che a sua volta modifica la sua capacità elettrica”, spiega Motzki. “Possiamo assegnare un valore preciso di capacità elettrica a qualsiasi punto specifico della pellicola”. Questo conferisce alla pellicola proprietà di sensore senza la necessità di tecnologie aggiuntive. Quando la mano e le dita si muovono all'interno del guanto, la pellicola si deforma, si allunga o si comprime, generando una lunga sequenza di valori di misurazione individuali. "Abbiamo sviluppato algoritmi intelligenti che ci permettono di quantificare queste sequenze di movimento e di elaborarle al computer", spiega Sebastian Gratz-Kelly, che attualmente studia i tessuti intelligenti nell'ambito del suo progetto di dottorato.
Gli algoritmi consentono inoltre al team di ricerca di controllare con precisione il movimento della pellicola di silicone. "I movimenti che possiamo creare spaziano da vibrazioni ad alta frequenza a movimenti lenti, pulsanti o di flessione, e possiamo anche mantenere la pellicola in una specifica posizione fissa". "Possiamo controllare il tipo e la frequenza delle vibrazioni con grande precisione", spiega Sophie Nalbach. Questo permette al team di controllare la pellicola in modo che si deformi e prema contro il dito dell'utente. La rapida flessione della pellicola sotto la punta del dito può creare la sensazione di un piccolo pulsante scorrevole che viene sollevato o una leggera sensazione di pressione, come quando si aziona un vero interruttore. La pellicola può anche generare singoli toni acustici o persino toni multipli se si sovrappongono diverse frequenze di vibrazione.
