Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres

“La natura compone alcune delle sue poesie più belle davanti al microscopio e al telescopio”.

Theodore Roszak

La Setasilk rappresenta un innovativo campo di ricerca che unisce la biologia e l’elettronica per creare superfici biologiche integrate con sensori elettronici. Questa tecnologia si ispira alle ragnatele, utilizzando la seta come materiale base per creare sensori impercettibili. Grazie a questa combinazione, si aprono nuove possibilità rivoluzionarie nel monitoraggio della salute umana, nell’abbigliamento smart e in molte altre applicazioni. In questo articolo esploreremo anche il metodo innovativo della filatura orbitale per l’applicazione delle fibre bioelettroniche, nonché l’approccio sostenibile di questa tecnologia nel ridurre i rifiuti e le emissioni. Infine, discuteremo del futuro integrato tra dispositivi elettronici e organismi viventi.

L’ispirazione dalle ragnatele: la Setasilk come sensore impercettibile

Le ragnatele sono strutture straordinarie che hanno affascinato gli scienziati per secoli. Ora, grazie agli sviluppi nella ricerca bioelettronica, la seta prodotta dai ragni, chiamata Setasilk, sta diventando un sensore impercettibile di grande interesse. La Setasilk è stata studiata per le sue proprietà elettroniche e meccaniche uniche, che consentono di trasformarla in sensori altamente sensibili e flessibili. Questi sensori possono essere applicati su superfici biologiche, come la pelle umana, senza causare alcun disagio o irritazione. Ciò apre la strada a una serie di applicazioni rivoluzionarie, tra cui il monitoraggio della salute in tempo reale e l’abbigliamento smart. Grazie all’ispirazione dalle ragnatele, la Setasilk sta aprendo nuovi orizzonti nell’integrazione dei sensori elettronici nelle superfici biologiche, offrendo soluzioni innovative per migliorare la nostra vita quotidiana.

Strutture viventi aumentate in modo impercettibile con fibre bioelettroniche organiche.
a, (i) la densità del numero di fibre (numero di fibre (N) sulla larghezza dell'array di fibre (d)), l'orientamento delle fibre (θ) e le modalità (materiali delle fibre e design del modello) possono essere personalizzati durante il tethering delle fibre in situ; (ii) si ottengono contatti intimi tra le fibre bioelettroniche organiche (ciascuna larga circa 1-5 µm) e diverse superfici biologiche con topografie su scala da micro a millimetrica e (iii) gli array di fibre bioelettroniche sono riconfigurabili per supportare la personalizzazione scalabile di elementi elettronici e di rilevamento su strutture viventi in situ. b, le scale di lunghezza e/o le dimensioni delle caratteristiche sono indicate per (i) le strutture biologiche sulla pelle umana di una mano, compresi i pori del sudore (densità di circa 250-500 per cm2, simbolo P1; dimensioni dei pori di circa 60-80 µm, simbolo P2), le creste delle impronte digitali (distanza millimetrica tra le creste, simbolo F1 e altezza delle creste di circa 20-40 µm, simbolo F2), le singole cellule della pelle (dimensioni di circa 30 µm, simbolo C57) e i campi recettoriali sul polpastrello (intorno al millimetro, simbolo R58); (ii) tethering di fibre bioelettroniche per la larghezza, lo spessore e l'apertura della rete; (iii) nanomesh per lo spessore e l'apertura della maglia e (iv) stampa in situ o fibre elettroniche trafilate termicamente per la larghezza e lo spessore della linea (o della fibra). Una rete o una maglia di fibre è considerata completamente impercettibile dalla pelle se soddisfa contemporaneamente le condizioni di: (1) apertura della rete o del reticolo tra le fibre superiore a circa 50 µm (la dimensione dei pori della ghiandola sudoripara), ma inferiore a 1 mm (il campo recettoriale del polpastrello); (2) larghezza delle singole fibre e spessore della rete o del reticolo inferiore a circa 10 µm (in modo tale che le singole cellule della pelle siano per lo più esposte attraverso la rete di fibre aperta e le caratteristiche della cresta dell'impronta digitale non siano compromesse). c, Il tethering delle fibre in situ può essere utilizzato per accoppiare la microelettronica prefabbricata e i tessuti elettronici, supportando al contempo la riparazione, l'aggiornamento e il riciclo dei dispositivi su richiesta. Sono stati confrontati indicatori di prestazione chiave su più fronti per diversi metodi di fabbricazione di blocchi costruttivi simili alle fibre, dove la scala da 1 a 4 è assegnata come 4 = eccellente, 3 = molto buono, 2 = accettabile e 1 = da migliorare.

Applicazioni rivoluzionarie: dal monitoraggio della salute all’abbigliamento smart

Le applicazioni rivoluzionarie della tecnologia Setasilk spaziano dal monitoraggio della salute all’abbigliamento smart, aprendo nuove prospettive nell’integrazione di sensori elettronici nelle superfici biologiche. Grazie alla sua natura impercettibile, la Setasilk può essere utilizzata come sensore indossabile, consentendo il monitoraggio continuo dei parametri vitali come la frequenza cardiaca, la pressione arteriosa e l’attività fisica. Questo tipo di monitoraggio permette una gestione più accurata della salute e una prevenzione precoce di eventuali problemi. Inoltre, la tecnologia Setasilk può essere applicata all’abbigliamento smart, consentendo la creazione di tessuti intelligenti che interagiscono con l’utente. Ad esempio, i capi d’abbigliamento possono regolare automaticamente la temperatura corporea o fornire feedback in tempo reale sull’andamento dell’allenamento. Queste applicazioni promettono di migliorare significativamente il benessere e la qualità della vita delle persone, aprendo la strada a un futuro in cui indossare un capo d’abbigliamento potrà significare molto di più che semplicemente coprirsi.

La filatura orbitale: un metodo innovativo per l’applicazione delle fibre bioelettroniche

La filatura orbitale è un metodo innovativo per l’applicazione delle fibre bioelettroniche che sta rivoluzionando il settore della tecnologia indossabile. Questo processo, ispirato al modo in cui i ragni filano le loro tele, consente di integrare sensori elettronici nelle superfici biologiche in modo impercettibile. Utilizzando una combinazione di materiali biocompatibili e tecniche di filatura avanzate, è possibile creare filamenti sottili e flessibili che possono essere tessuti direttamente nei tessuti biologici. Questo approccio apre la strada a una vasta gamma di applicazioni, dall’abbigliamento smart che monitora costantemente la salute dell’utente, alla creazione di protesi e dispositivi medici integrati nel corpo umano. Inoltre, la filatura orbitale offre un approccio sostenibile, riducendo i rifiuti e le emissioni associate alla produzione di dispositivi elettronici tradizionali. Con questa tecnologia all’avanguardia, siamo sulla strada verso un futuro in cui dispositivi elettronici e organismi viventi si fondono in modo armonioso per migliorare la nostra vita quotidiana.

Elettrodi su misura impercettibili sulla pelle.
a, un'illustrazione (in alto) che mostra le fibre che coprono le creste delle impronte digitali, dove N/d  indica il numero di fibre N su una distanza d; l'evidenza sperimentale è fornita dalle fotografie (riga inferiore) che mostrano l'array completo di fibre su un polpastrello e la vista ingrandita delle fibre che seguono le creste delle impronte digitali (barre di scala da sinistra a destra, 5 mm, 500 μm). b, Impedenza di contatto in funzione del tempo di deposizione sul polpastrello. c, Confronto dei segnali ECG acquisiti da fibre ed elettrodi in gel allo stesso tempo (correlazione del segnale P = 0,99). d, (i) Un array di fibre depositate sulla regione muscolare del pollice, dove il carico ON/OFF sul pollice risulta in chiari segnali EMG on/off rilevati dalle fibre (barra di scala, 1 cm). (ii) Grafico a barre per rappresentare le variazioni dell'ampiezza EMG assoluta della regione muscolare del pollice in relazione a diversi pesi di carico sul pollice (i dati sono presentati come valori EMG assoluti medi ± deviazione standard dell'EMG misurato per circa 5 s in ciascun caso). e, Facile riparabilità degli array di fibre esposte. Il simbolo triangolare indica l'impedenza degli array di fibre dopo essere stati deliberatamente danneggiati dall'abrasione; in seguito, nuove fibre vengono depositate su richiesta per riparare, come indicato dai simboli circolari. f, La stabilità dell'elettrodo a fibre esposte (fibre bioelettroniche esposte sulla pelle) in condizioni di (i) usura ambientale; (ii) clic del mouse; (iii) usura per attrito a secco con una superficie in plastica (a una velocità superficiale di 4 cm s-1 in ambienti con circa il 40% di umidità relativa (RH)); (iv) condizioni “umide” simulate senza disturbi meccanici. g, attrito umido (a una velocità superficiale di circa 4 cm s-1) dell'interfaccia di rilevamento esposta e protetta da fibre a base di cellulosa. h, risciacquo sotto l'acqua corrente (l'interfaccia di rilevamento è protetta da fibre a base di cellulosa e il contatto con le fibre è incapsulato con un film a base di cellulosa) (scale ECG per f,g, scala temporale orizzontale 1 s, scala verticale di tensione 0,5 mV). (a-e, risultati tipici di n = 5 volontari, f-h, risultati tipici di n = 3 volontari, per tutti gli esperimenti con n > 3 esperimenti indipendenti eseguiti su ciascun volontario).

Un approccio sostenibile: riduzione dei rifiuti e delle emissioni

Un aspetto fondamentale dell’integrazione dei sensori elettronici nelle superfici biologiche è la promozione di un approccio sostenibile. La tecnologia Setasilk offre un metodo innovativo per ridurre i rifiuti e le emissioni nell’industria tessile. Utilizzando filamenti bioelettronici che possono essere facilmente rimossi dalle superfici biologiche, la Setasilk consente di riutilizzare i sensori elettronici su nuovi substrati, riducendo così la quantità di rifiuti prodotti. Inoltre, l’applicazione delle fibre bioelettroniche tramite il metodo della filatura orbitale permette di ridurre l’uso di solventi chimici tossici, risparmiando energia e diminuendo le emissioni nocive nell’ambiente. Questo approccio sostenibile non solo contribuisce alla protezione dell’ambiente, ma apre anche nuove possibilità per l’industria tessile nel perseguire una produzione più eco-friendly.

Verso un futuro integrato: la fusione tra dispositivi elettronici e organismi viventi

L’integrazione di dispositivi elettronici nelle superfici biologiche rappresenta un’innovazione rivoluzionaria che apre le porte a un futuro completamente nuovo. Questa fusione tra la tecnologia e gli organismi viventi offre infinite possibilità in diversi settori, dalla medicina all’industria dell’abbigliamento. Grazie alla Setasilk, una fibra bioelettronica ispirata alle ragnatele, è possibile creare sensori impercettibili che si integrano perfettamente nella pelle umana o negli indumenti. Questi sensori possono monitorare costantemente la salute delle persone, raccogliendo dati vitali in tempo reale e fornendo informazioni preziose per la prevenzione di malattie. Inoltre, l’applicazione delle fibre bioelettroniche tramite il metodo della filatura orbitale permette di ridurre i rifiuti e le emissioni, garantendo un approccio sostenibile alla produzione di dispositivi elettronici. Il futuro integrato tra dispositivi elettronici e organismi viventi promette di trasformare radicalmente il modo in cui interagiamo con la tecnologia, aprendo nuove possibilità per migliorare la nostra vita quotidiana.

Incremento impercettibile.
a, percezione aumentata del tatto tramite rilevamento dual-ECG con persona-i che indossa array di fibre bioelettroniche e persona-ii senza. Il segnale ECG doppio acquisito attraverso l'array di fibre è confrontato con il segnale ECG composito ricostruito dagli elettrodi in gel di convalida. I triangoli rossi rivolti verso il basso e verdi rivolti verso l'alto indicano i picchi R rispettivamente della persona-i e della persona-ii. b, un OECT traspirante e dermogasato su un polpastrello; l'OECT mostra un tempo di risposta dell'ordine di 60 s. c, rilevamento bimodale per aumentare la percezione degli impulsi di nebbia con composizioni acide, alcaline e neutre distinte attraverso letture colorimetriche ed elettriche.

Wang, W., Pan, Y., Shui, Y. et al. Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01174-4

In conclusione…

La Setasilk rappresenta un’innovazione rivoluzionaria nell’integrazione di sensori elettronici nelle superfici biologiche. Ispirata dalle ragnatele, questa tecnologia permette di creare sensori impercettibili che possono essere applicati a una vasta gamma di settori, dalla salute all’abbigliamento smart. Grazie alla filatura orbitale, è stato sviluppato un metodo innovativo per l’applicazione delle fibre bioelettroniche, rendendo possibile la creazione di dispositivi più sottili e flessibili. Inoltre, l’approccio sostenibile della Setasilk contribuisce alla riduzione dei rifiuti e delle emissioni. Tuttavia, mentre ci dirigiamo verso un futuro integrato tra dispositivi elettronici e organismi viventi, sorge la questione dell’etica e delle implicazioni sociali di queste tecnologie. È fondamentale riflettere su come garantire una corretta gestione e utilizzo di tali innovazioni, al fine di massimizzare i benefici per la società senza compromettere la privacy e l’autonomia delle persone.

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