Le ginocchia e i gomiti raschiati sono punti difficili per applicare in modo sicuro una benda. Più spesso che non, l'adesivo si staccherà dalla pelle con poche pieghe dell'articolazione interessata.

Ora gli ingegneri del MIT hanno escogitato una soluzione più appiccicosa, sotto forma di un sottile, leggero, pellicola simile alla gomma. La pellicola adesiva può aderire a regioni del corpo altamente deformabili, come il ginocchio e il gomito, e mantiene la sua tenuta anche dopo 100 cicli di piegatura. La chiave dell'aderenza del film è un modello di fessure che i ricercatori hanno tagliato nel film, simili ai tagli realizzati in una forma d'arte di piegatura della carta nota come kirigami.

I ricercatori hanno attaccato il "film kirigami" al ginocchio di un volontario e hanno scoperto che ogni volta che piegava il ginocchio, le fessure del film si aprivano al centro, nella regione del ginocchio con la flessione più pronunciata, mentre gli spacchi ai bordi restavano chiusi, permettendo al film di rimanere aderente alla pelle. I tagli kirigami conferiscono al film non solo elasticità, ma anche una migliore presa:i tagli che si aprono rilasciano la tensione che altrimenti farebbe staccare l'intero film dalla pelle.

Per dimostrare le potenziali applicazioni, il gruppo ha fabbricato una benda adesiva con motivo kirigami, così come un termoforo costituito da un film kirigami infilato con fili riscaldanti. Con l'applicazione di un alimentatore a 3 volt, il pad mantiene una temperatura costante di 100 gradi Fahrenheit. Il gruppo ha anche progettato un film elettronico indossabile dotato di diodi emettitori di luce. Tutti e tre i film possono funzionare e aderire alla pelle, anche dopo 100 flessioni del ginocchio.

Ruike Zhao, un postdoc nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, afferma che gli adesivi con motivi kirigami possono consentire un'intera gamma di prodotti, dalle bende mediche di tutti i giorni all'elettronica indossabile e morbida.

"Attualmente nel campo dell'elettronica soft, le persone per lo più attaccano i dispositivi a regioni con piccole deformazioni, ma non in aree con grandi deformazioni come regioni articolari, perché si staccherebbero, " dice Ruike. "Penso che la pellicola kirigami sia una soluzione a questo problema che si trova comunemente negli adesivi e nell'elettronica morbida".

Ruike è l'autore principale di un articolo pubblicato online questo mese sulla rivista Materia morbida . I suoi coautori sono studenti laureati Shaoting Lin e Hyunwoo Yuk, insieme a Xuanhe Zhao, il Noyce Career Development Professor nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

Adesione da una forma d'arte

Ad agosto 2016, Ruike e i suoi colleghi sono stati avvicinati da rappresentanti di una società di forniture mediche in Cina, che ha chiesto al gruppo di sviluppare una versione migliorata di un popolare bendaggio antidolorifico che l'azienda attualmente produce.

"Adesivi come queste bende sono molto comunemente usati nella nostra vita quotidiana, ma quando provi ad attaccarli a luoghi che incontrano grandi, movimento di flessione disomogeneo, come gomiti e ginocchia, di solito si staccano, " dice Ruike. "È un problema enorme per l'azienda, che ci hanno chiesto di risolvere".

Il team ha considerato il kirigami come una potenziale soluzione. Originariamente un'arte popolare asiatica, kirigami è la pratica di ritagliare modelli intricati su carta e piegare questa carta, proprio come gli origami, per creare bello, elaborare strutture tridimensionali. Più recentemente, alcuni scienziati hanno esplorato il kirigami come un modo per sviluppare nuovi, materiali funzionali.

"Nella maggior parte dei casi, le persone praticano tagli in una struttura per renderla estensibile, " dice Ruike. "Ma noi siamo il primo gruppo a trovare, con uno studio sistematico del meccanismo, che un design kirigami può migliorare l'adesione di un materiale."

I ricercatori hanno fabbricato sottili film di kirigami versando un elastomero liquido, o soluzione di gomma, in stampi stampati in 3D. Ogni stampo è stato stampato con file di scanalature sfalsate di varie distanze, che i ricercatori hanno poi riempito con la soluzione di gomma. Una volta stagionato e tolto dagli stampi, i sottili strati di elastomero erano tempestati di file di fessure sfalsate. I ricercatori affermano che il film può essere realizzato con una vasta gamma di materiali, dai polimeri morbidi alle lamiere dure.

Ruike ha applicato un sottile rivestimento adesivo, simile a quello che si applica alle bende, ad ogni film prima di attaccarlo al ginocchio di un volontario. Ha preso nota della capacità di ogni film di aderire al ginocchio dopo ripetute piegature, rispetto a un film di elastomero che non aveva motivi kirigami. Dopo un solo ciclo, il piano, film continuo rapidamente staccato, considerando che il film kirigami ha mantenuto la sua presa, anche dopo 100 flessioni del ginocchio.

Un equilibrio nel design

Per scoprire perché i tagli kirigami migliorano le proprietà adesive di un materiale, i ricercatori hanno prima incollato un film di kirigami su una superficie polimerica, quindi sottoposto il materiale a prove di allungamento. Hanno misurato la quantità di allungamento che un film di kirigami può subire prima di staccarsi dalla superficie del polimero, una misura che hanno usato per calcolare il "tasso di rilascio di energia" critico del materiale, "una quantità da valutare distaccante.

Hanno scoperto che questo tasso di rilascio di energia variava nel corso di un singolo film:quando tiravano il film da entrambe le estremità come una fisarmonica, le fessure verso il centro hanno mostrato un tasso di rilascio di energia più elevato e sono state le prime ad aprirsi con un minor allungamento. In contrasto, le fessure alle due estremità del film hanno continuato ad aderire alla superficie sottostante e sono rimaste chiuse.

Attraverso questi esperimenti, Ruike ha identificato tre parametri principali che conferiscono ai film kirigami le loro proprietà adesive:shear-lag, in cui la deformazione a taglio del film può ridurre la sollecitazione su altre parti del film; distacco parziale, in cui i segmenti di pellicola attorno ad una fessura aperta mantengono un parziale legame con la superficie sottostante; e deformazione disomogenea, in cui un film può mantenere la sua adesione complessiva, anche se parti della sua superficie sottostante possono piegarsi e allungarsi più di altre.

A seconda dell'applicazione, Ruike afferma che i ricercatori possono utilizzare i risultati del team come modello di progettazione per identificare il miglior modello di tagli e l'equilibrio ottimale dei tre parametri, per una data applicazione.

"Questi tre parametri aiuteranno a guidare la progettazione di soft, materiale avanzato, " dice Ruike. "Puoi sempre disegnare altri modelli, proprio come l'arte popolare. Ci sono così tante soluzioni a cui possiamo pensare. Basta seguire la guida meccanica per un design ottimizzato, e puoi ottenere un sacco di cose."

Ruike e i suoi colleghi hanno depositato un brevetto sulla loro tecnica e continuano a collaborare con l'azienda di forniture mediche, che sta attualmente pianificando la produzione di cerotti medici realizzati con film kirigami.

"Fanno questo tampone antidolorifico che è piuttosto popolare in Cina, anche i miei genitori lo usano, " dice Ruike. "Quindi è super eccitante."

Il team si sta ora espandendo per esplorare altri materiali su cui modellare i tagli kirigami.

"I film attuali sono puramente elastomeri, " dice Ruike. "Vogliamo cambiare il materiale della pellicola in gel, che può diffondere direttamente la medicina nella pelle. Questo è il nostro prossimo passo".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.