Come le smart surfaces potrebbero rivoluzionare il mondo

Ci stiamo avvicinando a una rivoluzione nel modo in cui costruiamo, gestiamo e interagiamo con il mondo che ci circonda e molto probabilmente le smart surfaces saranno alla base di questa rivoluzione.

di Sara Gonizzi Barsanti

In futuro, invece di applicare la tecnologia alle superfici dei nostri edifici, mobili e veicoli, le superfici stesse che utilizziamo per costruire questi prodotti saranno intrinsecamente intelligenti.

Smart surfaces è un termine e un campo emergente che combina la scienza dei materiali intelligenti, la connettività dell’IoT e la promessa dei big data per rendere il nostro mondo più efficiente, sicuro e vivibile. Nella loro massima ambizione, le superfici intelligenti promettono un controllo digitale dinamico e riconfigurabile sulle superfici dell’ambiente fisico.

Cosa si intende per smart surfaces

Le superfici intelligenti sono superfici materiali in grado di riorganizzare la propria morfologia o composizione o di potenziare la propria funzionalità in risposta ai cambiamenti dell’ambiente circostante. Superfici intelligenti è un termine ampio che comprende diverse tecnologie e approcci tecnologici: in genere, sono le funzioni elettroniche, biologiche o chimiche a guidare queste risposte. A differenza dei materiali intelligenti, una superficie intelligente si riferisce quasi esclusivamente a tecnologie planari o bidimensionali che si rivolgono direttamente alle opportunità offerte dai settori che già producono superfici su scala, come quello automobilistico, aerospaziale e delle costruzioni.

Poiché la definizione di superfici intelligenti è ampia, spesso vengono classificati insieme molti tipi diversi di superfici con altrettanti tipi di prestazioni. Le superfici intelligenti possono riferirsi a sensori applicati come vernici o rivestimenti che riducono il calore, come promosso dalla coalizione Smart Surfaces. Aziende come Yanfeng Automotive Interiors e Fischer Automotive stanno lavorando su concetti in cui una superficie senza soluzione di continuità fornisce interazione, luce e feedback aptico. Altri chiamano questo tipo di tecnologia “elettronica strutturale”. Uno dei principali fattori alla base delle superfici intelligenti è la spinta verso i big data. Creando una classe completamente nuova di dispositivi IoT, le superfici intelligenti cambieranno il modo di concepire l’acquisizione di dati dall’ambiente.

Applicazioni e soluzioni smart surfaces

Le tecnologie delle superfici intelligenti presentano un’ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, la maggior parte dello sviluppo sembra concentrarsi su tre aree: trasporti, edifici e sanità, con molte funzioni tecniche condivise tra queste aree.

Le superfici intelligenti comprendono tetti e pavimentazioni riflettenti, pavimentazioni porose e permeabili, tetti verdi, impianti fotovoltaici, alberi e combinazioni di queste superfici.

I tetti freddi

I tetti freddi sono di colore chiaro e progettati per riflettere la maggior parte della luce solare, riducendo il riscaldamento dell’aria esterna. I tradizionali tetti di colore scuro assorbono maggiormente la luce che cade su di essi, irradiando calore nell’edificio e nell’aria circostante, aumentando i costi di raffreddamento e il consumo energetico e diminuendo il comfort.

Tra i benefici e i costi delle pavimentazioni fredde, vi è la riduzione della temperatura superficiale e l’aumento della durata della pavimentazione.

Le pavimentazioni

Le pavimentazioni porose e permeabili consentono alla pioggia di ricaricare le falde acquifere, riducendo l’inquinamento idrico, il deflusso delle acque meteoriche e il rischio di inondazioni. Le tecnologie di pavimentazione permeabile comprendono il calcestruzzo poroso, le pavimentazioni permeabili e le pavimentazioni a griglia porosa con tappeto erboso o ghiaia. Oltre a ridurre il rischio di inondazioni e l’inquinamento idrico, le pavimentazioni porose possono abbassare le temperature grazie al raffreddamento per evaporazione.

I tetti verdi

I tetti verdi sono entità vive e respiranti che assorbono l’acqua piovana, riducono l’assorbimento di calore e migliorano la qualità dell’aria. Raffreddano gli edifici, riducono il deflusso delle acque piovane e forniscono habitat alle piante urbane e alla fauna selvatica, mantenendo una durata di vita effettiva più lunga rispetto ai tradizionali tetti scuri e impermeabili.

Il calcestruzzo

Il calcestruzzo è attualmente responsabile di circa l’8% delle emissioni globali, mentre il calcestruzzo a sequestro di carbonio (o calcestruzzo cattura CO2) offre un percorso sempre più conveniente per ridurre drasticamente l’impronta di emissioni del calcestruzzo. Grazie alle innovazioni apportate finora, il calcestruzzo può ora essere a emissioni zero o addirittura a emissioni zero. Il calcestruzzo a basse e zero emissioni di carbonio ha anche un’albedo relativamente alta.

Gli alberi trasformano la CO2 in ossigeno, rimuovono gli inquinanti dall’aria e riducono il rischio di inondazioni. Gli alberi riducono inoltre la temperatura ambientale attraverso l’ombreggiamento e l’evapotraspirazione, riducendo il ricorso all’aria condizionata ad alto consumo energetico.

Il solare fotovoltaico

Il solare fotovoltaico converte la luce del sole in energia rinnovabile e fornisce ombreggiatura a edifici, marciapiedi e altre aree pubbliche. Le superfici solari possono aiutare le città a ridurre la loro dipendenza dai combustibili fossili, abbattendo le emissioni di gas serra e riducendo l’inquinamento atmosferico e i costi energetici.

I sistemi di bio-ritenzione

I sistemi di bio-ritenzione, come i giardini pluviali o i bioswales, migliorano il drenaggio urbano raccogliendo e filtrando le acque meteoriche di dilavamento, promuovendo la biodiversità e aggiungendo valore estetico. Inoltre, la vegetazione di questi sistemi rinfresca l’ambiente circostante attraverso l’evapotraspirazione.

I prati urbani

I prati urbani sono aree piantumate con erbe autoctone e piante erbacee da fiore che possono sostituire i lotti liberi e i prati a zolle nelle aree urbane. La manutenzione dei lotti sfitti è costosa per le città e contribuisce alle inondazioni e alla cattiva qualità dell’aria. I prati a tappeto erboso richiedono una manutenzione regolare, sono meno efficaci nella gestione delle acque meteoriche e favoriscono una minore biodiversità rispetto a un ecosistema naturale florido e diversificato. I prati urbani sono una strategia efficace dal punto di vista dei costi per ridurre questi problemi, offrendo al contempo notevoli benefici alla comunità e all’estetica.

Combinando le soluzioni Smart Surfaces, le città possono massimizzare i benefici di una singola area. Per esempio, combinando i tetti freddi e il solare fotovoltaico bifacciale sarebbe possibile produrre più energia dalle celle fotovoltaiche, riflettendo al contempo la luce solare e il calore lontano dall’edificio e dall’aria circostante. La combinazione tetti verdi + il fotovoltaico genererebbe energia pulita, ridurrebbe il consumo energetico degli edifici, gestirebbe il deflusso delle acque piovane e filtrerebbe gli inquinanti atmosferici. Le superfici porose e fredde riflettono il calore, catturano l’acqua piovana e filtrano gli inquinanti atmosferici.

Composizione delle superfici intelligenti

Le superfici intelligenti possono essere costruite in molti modi. Alcune sono un materiale contiguo in un singolo strato, altre sono costruite come parte di un laminato.

Le vernici auto-riparanti possono essere applicate in massa spruzzandole come un singolo strato, fornendo protezione e riparazione della vernice. Ma nelle finestre intelligenti, ad esempio, un set specializzato di materiali viene in genere spruzzato tra più strati di vetro per consentire la generazione di energia o l’oscuramento automatico delle finestre. Alcune tecnologie utilizzano strati serigrafati per aggiungere inchiostri conduttivi che fungono da elettrodi sensori.

Gli output delle superfici intelligenti sono vari quanto la loro composizione. Le superfici intelligenti possono generare energia, misurare variabili ambientali, proteggere dalla corrosione, rilevare perdite d’acqua, eseguire il conteggio in tempo reale degli occupanti di un ufficio o aiutare a controllare la temperatura di un edificio. Ma in quasi tutti i casi, l’obiettivo delle superfici intelligenti è ridurre peso, spazio, costi o complessità. Che si tratti di integrare funzioni in un singolo componente per un’interfaccia automobilistica o di ridurre la resistenza su un sottomarino per ridurre la potenza in ingresso del 10% – 20%. Sebbene piacevole, la tendenza ad avere pareti interattive che utilizzano sensori che rispondono al tocco e alla prossimità è un esempio tangibile e viscerale della tecnologia delle superfici intelligenti. A differenza della realtà virtuale o della realtà aumentata, le superfici intelligenti mirano a migliorare le superfici con cui interagiamo direttamente.

Casi d’uso delle smart surfaces

L’innovazione nella tecnologia delle superfici intelligenti deriva dalla sfida di prendere funzionalità che sono tipicamente riservate a dispositivi aggiuntivi ingombranti, integrarle e renderle sottili e scalabili. Questa trasformazione fisica apre la possibilità di portare le superfici intelligenti a casi d’uso e scale completamente nuovi in ​​cui i sensori tradizionali non sarebbero appropriati.

Nei nostri uffici, gli interruttori della luce sono montati sulle pareti per controllare le luci. In futuro, la parete stessa diventerà un interruttore della luce, un monitor di presenza, un monitor di perdite d’acqua e altro ancora. Questa nuova realtà incorporerà silenziosamente la tecnologia negli spazi che ci circondano, creando superfici programmabili e configurabili dinamicamente.

Le superfici intelligenti stanno già semplificando la nostra vita quotidiana attraverso molteplici applicazioni. La maggior parte di noi sta già beneficiando delle superfici intelligenti, ma probabilmente non ne siamo consapevoli. Possiamo trovare esempi pratici nei rivestimenti utilizzati sui prodotti di consumo e nell’ambiente costruito. In casa, i rivestimenti antiaderenti ricoprono le nostre pentole, aiutando a rendere più semplice cucinare e pulire. Nelle nostre tasche, i nostri smartphone hanno superfici intelligenti sotto forma di touch screen e materiali avanzati che respingono le impronte digitali e proteggono dalla rottura. Nelle scuole dei nostri figli, troviamo lavagne intelligenti e nei nostri uffici potremmo avere una parete di vernice per lavagna.

Situazione attuale e prospettive future

Ad oggi, la tecnologia delle superfici intelligenti non ha cambiato radicalmente l’infrastruttura. Tuttavia, è probabile che nei prossimi anni assisteremo a un cambiamento significativo e a molte nuove applicazioni. Le superfici intelligenti guideranno la crescita dell’IoT, soprattutto nelle aree in cui le superfici intelligenti sono particolarmente adatte. Questo perché la tecnologia delle superfici intelligenti è cambiata radicalmente nell’ultimo decennio. La vernice auto-riparante è ora disponibile su più veicoli di produzione. Le superfici super idrofobiche sono ampiamente utilizzate in laboratorio e sono ora disponibili per i consumatori come rivestimenti fai da te. I pannelli fotovoltaici sono scesi di prezzo di oltre il 90% e le finestre auto-oscuranti sono in fase di sperimentazione su larga scala in tutto il mondo.

Le superfici intelligenti alla fine avranno un impatto su quasi tutti i settori, dalle auto senza conducente alla robotica alle energie rinnovabili. Alcune delle aziende leader mondiali stanno perseguendo aggressivamente nuove tecnologie e applicazioni per superfici intelligenti. Non sorprende infatti che gli investimenti nelle superfici intelligenti rimangano forti. Grandi aziende come Johnson Controls, Faurecia, Henkel e Dupont stanno effettuando seri investimenti in R&S interna e startup. Riconoscono l’opportunità nella trasformazione digitale e nei big data. Cardinal Glass ha firmato un accordo di partnership con Click Materials per ampliare la produzione di un prodotto in vetro elettrocromico unico. L’interesse delle grandi aziende è guidato da un desiderio globale di digitalizzare il business tradizionale e da timori a breve termine sulla mercificazione di prodotti redditizi. Senza investire in R&S interna, investire in (o acquisire) startup, queste aziende faranno fatica a mantenere la loro posizione di mercato.

L’ascesa del touch screen e dei dispositivi indossabili

La tecnologia delle superfici intelligenti trae vantaggio dai progressi in altri campi come la chimica, la produzione, i semiconduttori, la comunicazione wireless e le batterie. Le superfici intelligenti dovrebbero essere viste come una componente di un più ampio sforzo per creare edifici intelligenti, trasporti intelligenti e città intelligenti. Man mano che la popolazione mondiale cresce e cerchiamo di costruire una società più equa, combattere il cambiamento climatico e ridurre la diffusione delle malattie, le superfici intelligenti probabilmente svolgeranno un ruolo silenziosamente cruciale.

Come molti cambiamenti tecnici fondamentali, i cambiamenti che le superfici intelligenti hanno precipitato sono difficili da rilevare a prima vista. Tuttavia, due esempi spiccano: l’ascesa del touch screen e la proliferazione dei dispositivi indossabili. Il touchscreen è una superficie intelligente nel senso più puro del termine, bidimensionale e altamente reattiva agli stimoli ambientali.

Le superfici intelligenti consentono di leggere le informazioni biometriche direttamente dalla pelle, adattandosi al corpo del paziente, fornendo una combinazione di dati e comfort che in precedenza era impossibile. In un contesto sanitario, le superfici intelligenti aiutano a migliorare la vita dei pazienti monitorando continuamente i segni vitali con dispositivi comodi, accurati e durevoli. Tali innovazioni in termini di materiali e costruzione si sono tradotte in dispositivi indossabili per i consumatori, con i fitness tracker e i tracker dello stile di vita che stanno diventando sempre più popolari. L’attuale focus di sviluppo per le tecnologie delle superfici intelligenti esiste in tre settori: sanità, automotive ed edifici intelligenti.

L’applicazione delle smart surfaces nel settore sanitario

La pandemia di coronavirus ha probabilmente rafforzato lo sviluppo in corso di superfici intelligenti nell’assistenza sanitaria, la cui spinta all’innovazione si concentra su rivestimenti biocidi e antimicrobici. Questa ricerca era inizialmente intesa ad aiutare a controllare le infezioni correlate all’assistenza sanitaria all’interno degli ospedali, tuttavia, inevitabilmente si orienterà verso un contesto più ampio man mano che le preoccupazioni sulla diffusione dei virus si diffonderanno. Secondo l’OMS, “le infezioni correlate all’assistenza sanitaria, o infezioni contratte in contesti sanitari, sono l’evento avverso più frequente nell’erogazione dell’assistenza sanitaria in tutto il mondo”.

Sfortunatamente, la pandemia di coronavirus ha consolidato questa tendenza. La ricerca attuale si concentra su metodi come materiali attivati ​​dalla luce che uccidono batteri e virus in presenza di luce e altri materiali che sono intrinsecamente tossici per i patogeni: il rame, per esempio, è noto da tempo come biocida. Molti ricercatori stanno cercando di creare superfici utilizzando nuovi materiali con prestazioni simili o superiori a un costo inferiore e maggiore flessibilità. A seconda delle loro prestazioni, è probabile che questi materiali vengano utilizzati ovunque possibile all’interno di un contesto sanitario, da pavimenti, pareti, mobili, attrezzature, indumenti e altro ancora.

L’applicazione delle smart surfaces nel settore automotive

Cambiando campo di applicazione, le superfici con funzioni integrate che riducono peso e complessità sono una semplice proposta di valore per l’industria automobilistica. Aziende come TactoTek e Canatu stanno lavorando a un set di tecnologie simili che classificano come “elettronica strutturale”, che descrive sistemi in cui i componenti elettronici o elettrici fungono da strutture portanti e protettive che sostituirebbero strutture altrimenti “stupide” all’interno di un assemblaggio. Questo approccio integrato è potenzialmente potente in quanto presenta la possibilità di dispositivi a basso costo e altamente integrati con un peso ridotto dei componenti. TactoTek definisce la propria specifica tecnologia di elettronica strutturale come Injection Molded Structural Electronics (IMSE). Il nome indica l’idea che sfruttare il processo di stampaggio a iniezione sbloccherà una produzione scalabile ed economie di scala, fornirà prestazioni elettroniche ad alte prestazioni e offrirà un’ampia libertà di progettazione nella forma dei componenti e nella scelta dei materiali.

L’applicazione delle smart surfaces nel settore delle costruzioni

Gli edifici intelligenti, poi, rappresentano un’entusiasmante opportunità per lo sviluppo di una nuova tecnologia di superfici intelligenti: la scalabilità. Per chiunque lavori in edifici intelligenti, l’obiettivo è creare soluzioni che possano essere scalabili su milioni di piedi quadrati a un costo accessibile ai clienti. L’intelligenza incorporata nelle superfici è un ottimo punto di partenza e una connessione con l’industria delle vernici e dei rivestimenti significa che l’uso su larga scala delle superfici intelligenti negli edifici è più vicino di quanto pensiamo. Gli sviluppi attuali includono finestre auto-oscuranti, superfici autopulenti, materiali auto-riparanti e pavimenti intelligenti. Gli attuali casi d’uso negli edifici tendono a concentrarsi sulla riduzione dei costi abbassando i costi di manutenzione. Tuttavia, gli sviluppi futuri aumenteranno sicuramente l’efficienza e l’uso degli edifici.

Le superfici intelligenti avranno un impatto profondo sulla nostra vita quotidiana come lo ha avuto il semiconduttore. Lo sviluppo della microelettronica ha significato che abbiamo potuto integrare più funzioni nei nostri dispositivi elettronici, lo sviluppo di materiali sintetici tende invece ad essere monofunzionale: vale a dire che il più delle volte soddisfano solo un set di requisiti. La trave d’acciaio su un ponte sostiene il peso delle auto in transito. La vernice che ricopre la trave la protegge dalla corrosione e i sensori ad essa collegati ne misurano lo stress e la deformazione. Le superfici intelligenti consentiranno di combinare queste funzioni in un unico materiale e cambieranno il modo in cui interagiamo e viviamo il mondo.

Man mano che la tecnologia si fonde con le superfici che ci circondano, diventeremo meno consapevoli della sua presenza. Le telecamere onnipresenti montate sui soffitti degli uffici potrebbero cedere il passo a pavimenti intelligenti nascosti alla vista. I sensori di massa collegati a pareti, scrivanie e mobili saranno integrati nei materiali stessi, sbloccando ambienti più calmi e meno disordinati. Proprio come il desktop si è trasformato nel laptop e nello smartphone, molti aspetti della tecnologia edilizia e automobilistica si ridurranno e alla fine scompariranno nelle superfici che ci circondano.

Conclusioni

La sfida nell’implementare le smart surfaces deriva principalmente dalla produzione, dall’integrazione e dalla certificazione. È facile immaginare una tecnologia di superfici intelligenti infinitamente scalabile, ma la realtà è diversa. Le superfici intelligenti richiedono spesso un nuovo set di materiali e processi che non fanno parte della catena di fornitura esistente.

L’integrazione delle tecnologie di superficie richiede un pensiero divergente su progettazione e ingegneria, che richiede nuovi connettori e metodologie di progettazione, per i quali ci sono poche informazioni attuali o progetti di riferimento. Alcune superfici intelligenti richiedono finiture superficiali specifiche con cui molti designer non hanno lavorato in precedenza. Infine, le superfici intelligenti possono presentare una sfida di certificazione. Si stanno proponendo nuovi prodotti e cambiamenti radicali del fattore di forma per i prodotti esistenti. I test di conformità sono efficaci nel testare prodotti che già esistono, ma spesso hanno difficoltà a classificare la sicurezza e l’efficacia di prodotti radicalmente diversi