Cos’è un materiale intelligente? Una semplice materia prima, che viene utilizzata nell’ambito di un processo produttivo nei più svariati ambiti, può rispondere a sollecitazioni ed eventi esterni allo scopo di ottenere dei risultati che migliorino le performance di un prodotto e che aumentino la soddisfazione dei clienti?

I materiali intelligenti: verso la transizione ecologica

Con la quarta rivoluzione industriale, siamo entrati in un contesto economico-produttivo in cui il legame con il mondo digitale è, ormai, imprescindibile ed i materiali intelligenti sono l’ultima novità studiata per rivoluzionare il mondo manifatturiero, nell’ottica della transizione dell’industria verso l’universo dell’IOT (Internet of Things). Si tratta di un concetto sottile, di una filosofia produttiva che concepisce una materia prima (cemento, legno, calcestruzzo, acciaio, materiali polimerici o ceramici) non più come un sistema statico, ma come un sistema dinamico, in grado di adattarsi all’ambiente esterno e di cambiare configurazione in funzione degli stimoli provenienti da esso (luce, temperatura, pressione, umidità).

Un esempio di come i materiali si stiano evolvendo verso una nuova frontiera industriale, al passo con lo sviluppo tecnologico nell’ambito manifatturiero, sono i Phase Change Materials (PCM), ovvero materiali che sono soggetti a cambiamenti di fase (da solido a liquido o viceversa), rilasciando ed assorbendo il calore esterno. Stanno conoscendo un’espansione sempre maggiore nel settore dell’edilizia ed uno degli esempi più innovativi in quest’ambito è rappresentato dalle paraffine chimicamente stabili, a basso impatto corrosivo: esse vengono applicate all’interno della struttura portante degli edifici come pannelli e rivestimenti ed agiscono come dei termoregolatori, bloccando l’accesso del calore nelle ore più calde della giornata, nei mesi estivi e accumulando il calore nelle giornate più fredde in inverno, in modo da garantire una maggiore autosufficienza energetica e facilitare la transizione ecologica verso sistemi di riscaldamento a basso impatto ambientale che sostituiscano le vecchie caldaie ad alto consumo energetico.

Cemento e carbonio 

Un altro materiale di impiego sempre maggiore nel settore dell’edilizia e delle costruzioni è il cemento rinforzato con fibre di carbonio, che conferisce stabilità, resistenza meccanica ed alla corrosione. Si tratta di un materiale che permette di risparmiare notevolmente sull’applicazione del calcestruzzo, un materiale tradizionale che, pur integrando l’acciaio come materiale portante, necessita di numerose applicazioni di cemento come rinforzo e sostegno. Inoltre, essendo il calcestruzzo costituito principalmente da sabbia, è soggetto nel tempo a fenomeni di cedimento strutturale a causa della sabbia di cui è composto, che corrode la struttura portante in acciaio. Una soluzione utile per agevolare un impiego più sicuro e duraturo del calcestruzzo è l’impiego di reti di grafene nella struttura portante, in sostituzione dei tubolari in acciaio. Le fibre di carbonio, infatti, conferiscono stabilità ed hanno un’elevata conducibilità elettrica; le reti di grafene possono sostituire o integrare l’alimentazione elettrica delle abitazioni o facilitare la conversione di energia elettrica in energia termica, contribuendo anch’esse all’autosufficienza energetica sempre più richiesta nel settore edilizio.

Il cemento è un materiale che sta, inoltre, conoscendo sempre maggiori analisi nell’ambito dell’eco-edilizia. Infatti, Italcementi ha da alcuni anni studiato un nuovo cemento mangia-smog, con integrazione di biossido di titanio, in grado di decomporre, con l’azione della luce, gli agenti inquinanti prodotti dalle attività antropiche, evitando la corrosione della struttura e mantenendo inalterate le caratteristiche estetiche degli edifici; tale materiale, in particolare, è stato utilizzato con successo nella costruzione di palazzo Italia all’EXPO di Milano nel 2015.

Non solo edilizia: le reti neurali meccaniche

Ma i materiali intelligenti non si stanno diffondendo esclusivamente nel mondo dell’edilizia. Esistono molti altri ambiti industriali e produttivi in cui questa nuova classe di materiali sta trovando ampie applicazioni, come nel settore della meccanica: un gruppo di ingegneri dell’Università della California ha, infatti, studiato la possibilità di introdurre nel mondo dell’industria le reti neurali meccaniche.

Ma cosa sono esattamente le reti neurali? Sono un insieme di entità computazionali che reagiscono in modo sincrono, in funzione di una sollecitazione esterna, per produrre un risultato. Sono denominate così perché riprendono – in via teorica – il funzionamento del sistema cerebrale, che elabora gli impulsi e gli stimoli esterni per provocare una reazione interna nel nostro organismo. In sostanza, non sono altro che un’applicazione delle conoscenze dell’intelligenza artificiale all’interno di vari settori industriali.

Il progetto delle reti neurali meccaniche è stato proposto per la prima volta da Ryan Lee, giovanissimo professore di ingegneria meccanica e dell’automazione dell’Università della California, ed è finalizzato alla ricerca di un materiale architettonico in grado di resistere e adattarsi ad una molteplicità di fattori ambientali e climatici, acquisendo proprietà e caratteristiche strutturali e funzionali nuove a seconda degli stimoli esterni.

Dal punto di vista strutturale, la rete neurale meccanica studiata si compone di una serie di fasci reticolari, di dimensione finita (ad oggi il prototipo studiato è grande all’incirca quanto un forno a microonde), in cui sono applicati dei nodi, i quali agiscono da sensori in grado di riconoscere gli stimoli e le forze esterne, agendo, poi, come meccanismo propulsore dello stimolo su tutta la rete. Di fronte agli stimoli individuati dai sensori, l’intera struttura può così irrigidirsi o alleggerirsi, può distendersi o compattarsi.

Le reti neurali e le nuove sfide 

La sfida maggiore consiste nella creazione di reti neurali più estese ed in grado di trasferire rapidamente gli stimoli anche su oggetti di grandi dimensioni, perché una struttura, di fronte a deformazioni o forze esterne, deve rispondere tempestivamente e adeguarsi alle mutate condizioni e alla diversità strutturale dei materiali di base (che vanno dai semimetalli fino ai materiali polimerici) può costituire un problema.

Un esempio, riguarda la realizzazione di materiali alternativi per la fabbricazione di aerei e velivoli leggeri, specialmente per quanto concerne i meccanismi di volo: si stanno studiando ad esempio le modalità di realizzazione di ali per aerei in grado di cambiare profilo ed assetto in funzione delle turbolenze e delle condizioni atmosferiche, in un’ottica che aiuterebbe a semplificare le operazioni di gestione del velivolo in situazioni critiche e che ridurrebbe ulteriormente la possibilità di incidenti.

La ricerca è ancora in fase embrionale, e sono molte le criticità, così come le possibilità di sviluppo di una serie di materiali flessibili e adattabili in grado di rivoluzionare il mondo industriale, nelle sue varie applicazioni, dall’ambito meccanico, a quello edilizio, da quello biomedicale a quello dei trasporti. Nel frattempo, come abbiamo visto, sono stati fatti grandi passi avanti e la strada verso una nuova era del mondo manifatturiero ed industriale sembra già tracciata.

Stefano Maggio, Giovane Avanti!