Il sensore subacqueo rileva i danni e si autoripara. / Underwater sensor detects damage and self-repairs

 Il sensore subacqueo rileva i danni e si autoripara. / Underwater sensor detects damage and self-repairs

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il Prof. Tan Yu Jun (a sinistra), lo studente di dottorato Zhou Jinrun (a destra) e il loro team hanno sviluppato una pelle elettronica autoriparante in grado di rilevare il tocco e i danni, ripararsi anche sott'acqua e consentire la realizzazione di dispositivi subacquei più resistenti  /  Asst Prof Tan Yu Jun (left), PhD student Zhou Jinrun (right), and their team developed a self-healing electronic skin that can detect touch and damage, repair itself even under water, and enable more durable underwater devices

I ricercatori della National University of Singapore hanno sviluppato un sistema di sensori autoriparanti in grado di rilevare i danni, ripararsi da solo e continuare a funzionare sott'acqua senza bisogno di alimentazione esterna.

La tecnologia, sviluppata da un gruppo guidato dal professore associato Tan Yu Jun del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'università, combina il rilevamento del tatto e della prossimità con il rilevamento dei danni e la riparazione autonoma in un unico dispositivo. Il loro lavoro è descritto in dettaglio sulla rivista Advanced Materials .

L'elettronica subacquea deve affrontare condizioni operative estreme, con sensori utilizzati da subacquei e robot sottomarini vulnerabili a danni causati da urti o oggetti appuntiti. I dispositivi convenzionali si basano in genere su fonti di alimentazione esterne e possono perdere la funzionalità in modo permanente se perforati o tagliati durante il funzionamento.

Il nuovo sistema di sensori magnetoelettrici autoriparanti (SMES) è progettato per affrontare queste sfide integrando funzionalità di rilevamento, monitoraggio dei danni e riparazione in un dispositivo elettronico flessibile in grado di funzionare sia in aria che in acqua.

Il sensore è costituito da più strati realizzati con un elastomero elastico autoriparante che incorpora conduttori a metallo liquido. Uno strato dedicato al rilevamento dei danni si trova al di sopra di uno strato di rilevamento elettromagnetico, consentendo al sistema di monitorare il proprio stato continuando al contempo a rilevare il contatto e gli oggetti circostanti.

Quando lo strato superiore viene perforato o tagliato, la resistenza elettrica del materiale aumenta, segnalando un danno. L'elastomero contiene legami molecolari reversibili che si ricompongono quando le superfici danneggiate vengono riavvicinate, consentendo al sensore di ripristinare la propria struttura senza sostituire i componenti.

I test hanno dimostrato che, dopo lievi danni da perforazione, il dispositivo ha recuperato le sue prestazioni elettriche originali in pochi secondi senza intervento esterno. Tagli più significativi hanno richiesto una breve pressione meccanica per avviare la riparazione, prima di riacquistare la piena funzionalità dopo un periodo di guarigione più lungo.

Secondo i ricercatori, il materiale ha raggiunto un recupero elastico fino al 92%. Con un leggero riscaldamento, l'efficienza di autoriparazione ha raggiunto circa l'82% dopo sette giorni all'aria e quasi il 100% dopo 10 giorni sott'acqua. Il sensore ha mantenuto sia le sue capacità di rilevamento che quelle di autoriparazione anche completamente immerso, persino in acqua di mare simulata.

"Nel nostro corpo, il dolore è un segnale di allarme protettivo. Ci avverte quando qualcosa non va, permettendoci di reagire prima che si verifichino danni maggiori", ha dichiarato il professor Tan in un comunicato. "Il nostro lavoro conferisce all'elettronica subacquea la stessa capacità, consentendo ai dispositivi di rilevare le lesioni e di iniziare a guarire autonomamente."

A differenza dei sensori elettronici convenzionali che richiedono un'alimentazione esterna, il sensore SMES genera segnali elettrici tramite induzione elettromagnetica. Un piccolo magnete ed una bobina di metallo liquido sono posizionati in strati adiacenti, producendo una tensione quando il magnete si muove rispetto alla bobina all'avvicinarsi di un oggetto o quando questo preme sul sensore, consentendo così il rilevamento tattile e di prossimità senza una fonte di energia esterna.

I test di laboratorio hanno registrato un tempo di risposta di circa 41 millisecondi, mentre il sensore ha mantenuto prestazioni stabili per oltre 10.000 cicli operativi. Anche la sua capacità di rilevamento di prossimità è rimasta costante dopo 10 giorni di immersione continua sott'acqua.

Per dimostrare le potenziali applicazioni, i ricercatori hanno integrato la tecnologia in due sistemi prototipo.

Il primo era un guanto da sub intelligente progettato per la comunicazione subacquea. Sensori integrati nella punta di ogni dito generavano segnali di tensione univoci corrispondenti a diversi gesti della mano, che venivano trasmessi in modalità wireless tramite Bluetooth a uno smartphone. Cinque gesti predefiniti rappresentavano i comandi, tra cui "Normale", "Salire", "Scendere", "Tenere premuto" e "Aiuto". Il guanto incorporava anche LED rossi che si illuminavano quando veniva rilevato un danno significativo.

Il secondo prototipo era una mano robotica subacquea dotata di sensori SMES per supportare la presa e la manipolazione di oggetti. Tre LED fornivano informazioni in tempo reale sullo stato del sensore, indicando il normale funzionamento, danni minori in fase di autoriparazione o danni strutturali più gravi che richiedevano attenzione. Durante i test subacquei, la mano robotica ha afferrato e trasportato oggetti, rilevando e riparando i danni da perforazione causati da conchiglie appuntite.

"La SMES, la nostra pelle elettronica, è in grado di percepire, rilevare danni e rigenerarsi dopo un danno, sia sulla terraferma, in aria o sott'acqua, senza bisogno di alimentazione", ha affermato il Prof. Tan. "Speriamo di integrare la SMES con robot reali, protesi e dispositivi indossabili. L'obiettivo finale è sviluppare macchine morbide che, anche in ambienti imprevedibili, possano percepire ciò che le circonda, riconoscere i danni e ripristinare la propria funzionalità, proprio come la pelle vivente."

I ricercatori suggeriscono che questa tecnologia potrebbe essere applicata in futuri sistemi di robotica morbida, pelli elettroniche, dispositivi indossabili ed interfacce uomo-macchina subacquee, dove resistenza, funzionamento autonomo e lunga durata sono requisiti importanti.

ENGLISH

Researchers at the National University of Singapore have developed a self-healing sensor system that can detect damage, repair itself and continue operating underwater without an external power supply.

The technology, developed by a team led by Assistant Professor Tan Yu Jun from the university's Department of Mechanical Engineering, combines touch and proximity sensing with damage detection and autonomous repair in a single device. Their work is detailed in Advanced Materials.

Underwater electronics face demanding operating conditions, with sensors used by divers and underwater robots vulnerable to damage from impacts or sharp objects. Conventional devices typically rely on external power sources and can lose functionality permanently if punctured or cut during operation.

The new self-healing magnetoelectric sensory system (SMES) is designed to address these challenges by integrating sensing, damage monitoring and repair capabilities into a flexible electronic device capable of operating in both air and water.

The sensor consists of multiple layers built from a stretchable self-healing elastomer incorporating liquid-metal conductors. A dedicated damage-sensing layer sits above an electromagnetic sensing layer, allowing the system to monitor its own condition while continuing to detect touch and nearby objects.

When the upper layer is punctured or cut, the material's electrical resistance increases, signalling damage. The elastomer contains reversible molecular bonds that reconnect when damaged surfaces are brought back together, enabling the sensor to restore its structure without replacing components.

Tests showed that after minor puncture damage, the device recovered its original electrical performance within seconds without external intervention. More significant cuts required brief mechanical pressure to initiate repair before regaining full functionality after a longer healing period.

According to the researchers, the material achieved up to 92 per cent elastic recovery. Under mild heating, healing efficiency reached around 82 per cent after seven days in air and almost 100 per cent after 10 days underwater. The sensor maintained both its sensing and self-repair capabilities while fully submerged, including in simulated seawater.

“In our bodies, pain is a protective alarm. It tells us when something is wrong so we can respond before more damage is done,” Asst Prof Tan said in a statement. “Our work gives underwater electronics that same capability, enabling devices to sense injury and begin healing autonomously.”

Unlike conventional electronic sensors that require an external power supply, the SMES generates electrical signals through electromagnetic induction. A small magnet and a liquid-metal coil are positioned in adjacent layers, producing a voltage when the magnet moves relative to the coil as an object approaches or presses on the sensor, thereby enabling tactile sensing and proximity detection without an external energy source.

Laboratory testing recorded a response time of approximately 41 milliseconds, while the sensor maintained stable performance over 10,000 operating cycles. Its proximity sensing also remained consistent after 10 days of continuous underwater immersion.

To demonstrate potential applications, the researchers integrated the technology into two prototype systems.

The first was a smart diving glove designed for underwater communication. Sensors embedded in each fingertip generated unique voltage signals corresponding to different hand gestures, which were transmitted wirelessly via Bluetooth to a smartphone. Five predefined gestures represented commands including ‘Normal’, ‘Going up’, ‘Going down’, ‘Holding’ and ‘Help’. The glove also incorporated red LEDs that illuminated when significant damage was detected.

The second prototype was an underwater robotic hand equipped with SMES sensors to support grasping and object handling. Three LEDs provided real-time information on the condition of the sensor, indicating normal operation, minor damage undergoing self-repair or more serious structural damage requiring attention. During underwater testing, the robotic hand grasped and transported objects while detecting and recovering from puncture damage caused by sharp shells.

“The SMES, our electronic skin, can feel, detect damage, and recover after damage be it on land, up in the air or under water, yet does not require power,” said Asst Prof Tan. “We hope to integrate SMES with real robots, prosthetics and wearable devices. The ultimate goal is to develop soft machines that can, even in unpredictable environments, sense their surroundings, recognise when they are damaged, and recover their function, much like living skin.”

The researchers suggest the technology could be applied in future soft robotic systems, electronic skins, wearable devices and underwater human-machine interfaces where resilience, autonomous operation and long service life are important requirements.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/self-healing-underwater-sensor-repairs-its-own-damage?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-200726%20-%20Monday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fself-healing-underwater-sensor-repairs-its-own-damage&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer