Ciglia e sopracciglia catturano polvere e detriti dagli occhi. La stessa idea vale per i minuscoli peli del naso e delle orecchie. A un livello più microscopico, le minuscole ciglia simili a capelli che rivestono le cellule umane aiutano a rilevare sottili cambiamenti ambientali e possono potenziare i sensi di una persona.
Questi sono i concetti che il dottorando in nanoscienza e nanotecnologia Phillip Glass e il consulente Daeha Joung, Ph.D., stanno perseguendo con i loro sensori di ciglia stampati in 3D presso il Dipartimento di Fisica della Virginia Commonwealth University presso il College of Humanities and Sciences. I due stanno esplorando il campo del meccanosensing, un termine biologico per i metodi utilizzati dal corpo per raccogliere stimoli esterni e inviarli al cervello, producendo sensi come tatto, udito, movimento e dolore. I meccanorecettori sono cellule o organi che eseguono la percezione.
Ora stanno portando il concetto umano nelle macchine e nei robot.
"Ci sono tutti i tipi di posti in cui potremmo usarli", ha detto Glass mentre mostra i minuscoli sensori stampati in 3D del laboratorio che sembrano capelli umani. Le tecnologie di meccanosensing esistenti, ha affermato Glass, possono rilevare pressioni sostenute, pressioni rapide e cambiamenti di temperatura. "Ma un'area che non è stata ancora esplorata è il concetto di forza di 'scorrimento', ad esempio la sensazione che si prova sulla pelle quando si tolgono o si indossano gli indumenti", ha affermato Glass.
L'uso dei recettori del team resta da vedere, ma Glass e Joung, un assistente professore di biofisica sperimentale e nanoscienza, indicano una serie di applicazioni in campi industriali, ambientali e biomedici. Descrivono le loro scoperte e la fisica dietro la loro proprietà intellettuale in un articolo del luglio 2023 che la coppia e il loro team VCU hanno pubblicato su Advanced Science , "Array di ciglia artificiali stampate in 3D:uno strumento versatile per il meccanorilevamento personalizzabile."
Gli usi, dicono, potrebbero includere robot chirurgici minimamente invasivi dotati di meccanocettori ciliari per rilevare meglio piccoli cambiamenti di pressione o temperatura, macchine industriali in grado di misurare il flusso di aria o acqua, un robot in grado di leggere il braille o il rilevamento di detriti su un supporto altamente sensibile. obiettivo della fotocamera.
Nel caso della lettura in braille, le ciglia erano allineate in una struttura a forma di pennello e attaccate a un robot, che veniva trascinato su una superficie con punti braille su di esso. I dati raccolti dal robot hanno mappato accuratamente la forma del braille.
"La tecnologia di Phillip e del Dr. Joung è davvero una piattaforma che può essere utilizzata in numerosi settori, dalle protesi - si pensi, rendere le dita protesiche delle dita o dei piedi di una persona più sensibili al tatto - alla produzione che richiede fluidi dinamici", ha affermato Brent Fagg, responsabile senior delle licenze presso VCU TechTransfer and Ventures. "La sfida ora è trovare i partner giusti nella fase iniziale per sviluppare un'applicazione pronta per il mercato e stiamo parlando con una serie di gruppi interessati."
Misurare la portata dell’aria e dell’acqua è un’opportunità fondamentale, ha affermato Glass, che è un fattore importante in un ampio numero di mercati, dalle fabbriche agli ospedali. "Molte applicazioni e settori necessitano di controllare, misurare e persino prevedere il tasso di aria o acqua", ha affermato.
I sensori ciglia di Glass sono formati su una stampante 3D personalizzata utilizzando un materiale chiamato policaprolattone (PCL) mescolato con grafene (un super nanomateriale altamente conduttivo) e un solvente che si asciuga a contatto con l'aria. La stampa 3D offre inoltre a Glass la flessibilità di stampare ciglia di diverse dimensioni "semplicemente modificando alcune righe di codice".
"Uno degli enormi punti di forza della nostra tecnologia è che possiamo stampare peli di dimensioni diverse, che possono percepire lo stimolo in modo diverso", ha affermato Glass. "I peli molto lunghi si piegano più facilmente di quelli corti, quindi mentre altri tipi di sensori del flusso d'aria possono rilevare solo un singolo intervallo di flusso, possiamo stampare le nostre ciglia in diverse dimensioni e spaziature e renderle più sensibili a un'ampia gamma di stimoli."
Per Joung, i sensori sottolineano l’importanza della fisica come elemento fondamentale nelle applicazioni del mondo reale. "La più grande forza della fisica è che costituisce la base per qualsiasi nuova applicazione, sia che si tratti di un dispositivo biomedico o di un processo di ingegneria", ha affermato Joung. "Phillip ha adottato un approccio davvero diverso, utilizzando l'unicità e la creatività per concepire una nuova idea con un potenziale reale."
Ulteriori informazioni: Phillip Glass et al, Array di ciglia artificiali stampate in 3D:uno strumento versatile per il meccanorilevamento personalizzabile, Scienza avanzata (2023). DOI:10.1002/advs.202303164
Informazioni sul giornale: Scienza avanzata
Fornito dalla Virginia Commonwealth University
