Ridurre l’utilizzo delle materie prime e sviluppare oggetti in grado di migliorare la cura dei pazienti che sono costretti all’immobilità per periodi più o meno prolungati: sono solo due esempi dei vantaggi che si potranno abilitare grazie all’utilizzo dei materiali programmabili.
Si tratta di materiali che possono cambiare le loro caratteristiche in modo controllato e reversibile con la semplice pressione di un pulsante, adattandosi autonomamente alle nuove condizioni.
Questi materiali possono essere utilizzati, ad esempio, nella cura e nell’assistenza di pazienti costretti a letto da incidenti o malattie grazie a materassi in grado di prevenire la formazione di piaghe da decupito. In questo caso, l’utilizzo dei materiali programmabili in materassi permetterà in futuro di regolare il supporto fornito al corpo del paziente in qualsiasi area e con la semplice pressione di un pulsante.
A queste ed altre applicazioni stanno lavorando i ricercatori del Fraunhofer CPM, formato da sei istituti, con l’obiettivo di progettare e produrre materiali programmabili, grazie anche al supporto di un partner industriale.
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Cosa sono e come si creano i materiali programmabili: lo studio del Fraunhofer CPM
Ma come è possibile programmare i materiali? A spiegarlo è Heiko Andrä, portavoce del progetto presso l’Istituto Fraunhofer per la matematica industriale ITWM, uno degli istituti principali del Fraunhofer CPM.
“In sostanza, sono due le aree chiave in cui è possibile apportare modifiche: il materiale di base – polimeri termoplastici nel caso dei materassi e leghe metalliche per altre applicazioni, comprese le leghe a memoria di forma – e, più specificamente, la microstruttura”, spiega.
“La microstruttura di questi metamateriali è costituita da celle unitarie che consistono in elementi strutturali come piccole travi e gusci sottili”, aggiunge.
Mentre nei materiali cellulari convenzionali, come le schiume, le dimensioni di ogni cellula e i suoi elementi strutturali variano in modo casuale, le cellule dei materiali programmabili sono anch’esse variabili, ma possono essere definite con precisione, cioè programmate.
Questa programmazione può essere effettuata, ad esempio, in modo che la pressione su una particolare posizione determini cambiamenti specifici in altre regioni del materasso, ad esempio aumentando le dimensioni della superficie di contatto e fornendo un supporto ottimale a determinate aree del corpo.
Il cambiamento di forma che il materiale deve mostrare e gli stimoli a cui reagisce – stress meccanico, calore, umidità o persino un campo elettrico o magnetico – possono essere determinati dalla scelta del materiale e dalla sua microstruttura.
“I materiali programmabili consentono di adattare i prodotti all’applicazione o alla persona specifica, in modo che siano più multifunzionali di prima. In questo modo, non devono essere sostituiti così spesso. È particolarmente interessante anche nel contesto del risparmio di risorse e della sostenibilità”, spiega Franziska Wenz, vice portavoce del Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM, altro istituto centrale del Fraunhofer CPM.
In questo modo, è possibile creare un valore aggiunto adattando i prodotti alle esigenze individuali degli utenti. Inoltre, attraverso l’utilizzo dei materiali programmabili, un singolo pezzo di materiale può prendere il posto di interi sistemi di sensori, regolatori e attuatori.
I primi progetti pilota per sviluppare applicazioni industriali
L’obiettivo del Fraunhofer CPM è ridurre la complessità dei sistemi, integrando le loro funzionalità nel materiale e riducendo la diversità dei materiali.
“Nello sviluppo dei materiali programmabili abbiamo sempre in mente i prodotti industriali. Per questo motivo teniamo conto, tra l’altro, dei processi di produzione di massa e della difficoltà nel reperire i materiali”, spiega Wenz.
L’istituto ha già avviato i primi progetti pilota con partner industriali. Il team di ricerca prevede che inizialmente i materiali programmabili sostituiranno i componenti dei sistemi esistenti o saranno utilizzati in applicazioni speciali, come materassi medici, sedie confortevoli, suole di scarpe a smorzamento variabile e indumenti protettivi.
“Gradualmente, la percentuale di materiali programmabili utilizzati aumenterà”, aggiunge Andrä. In definitiva, potranno essere utilizzati ovunque, dalla medicina agli articoli sportivi, dalla soft robotic alla ricerca spaziale.
