È stata sviluppata dall’Istituto Italiano di Tecnologia la prima batteria edibile e ricaricabile al mondo. Questo dispositivo, prodotto a partire da pochi semplici ingredienti come alghe, cera d’api, mandorle e capperi, è stato citato dal Time come una delle migliori invenzioni del 2023. Tale frontiera ispira la ricerca di nuove tecnologie a basso impatto ambientale e adoperabili in svariati ambiti, come la somministrazione controllata di farmaci o il monitoraggio della qualità dei cibi.
Un progetto di ricerca per il “cibo elettronico”
La ricerca nel campo dell’elettronica commestibile è in forte crescita e ha l’obiettivo di sviluppare dispositivi che non risultino dannosi quando introdotti nell’organismo, ma che permettano la diagnosi e il monitoraggio di alcuni parametri organici o il trattamento di patologie. La sfida dietro questo ramo di ricerca risiede nell’implementazione di circuiti elettrici innovativi e costituiti da materiali edibili, che quindi siano in grado di funzionare correttamente all’interno del corpo, senza danneggiare i tessuti.
In questo settore, è attivo in Italia il Printed and Molecular Electronics (PME) Laboratory: con sede presso l’IIT di Milano, il gruppo si occupa di studiare le proprietà elettroniche degli alimenti e dei loro derivati per lo sviluppo nuovi materiali elettronici commestibili.
Leader del laboratorio è Mario Caironi, laureato in ingegneria elettronica al Politecnico di Milano e poi, dopo il dottorato di ricerca, PostDoc presso l’Università di Cambridge. Nel 2019, l’ing. Caironi ha vinto un finanziamento di 2 milioni di euro da parte dell’European Research Council da destinare al progetto ELFO (i.e., ELectronic FOod) (Figura 1), che esplora, per l’appunto, il campo dell’elettronica alimentare (Video 1).
ELFO, grazie anche al programma europeo di gemellaggio GREENELIT, ha visto la collaborazione tra Istituto Italiano di Tecnologia, Università degli studi Milano-Bicocca e Università di Heidelberg.
La nuova frontiera dei circuiti edibili
Un primo traguardo di ELFO si è concretizzato nello sviluppo di un prototipo che ha provato la realizzabilità di circuiti elettronici costituiti interamente da materiale alimentare (Figure 2,3). Tali circuiti, descritti nello scorso 2023 sulla rivista Nanoscale, sono basati su oro e chitosano. In particolare, il chitosano è un carboidrato ottenuto a partire dalla corazza dei crostacei per mezzo di tecniche come la deacetilazione, in grado di rompere i legami chimici della chitina, che in gran parte costituisce i gusci dei crostacei.
Il circuito viene stampato tramite getto di inchiostro, una tecnica affine a quella delle stampanti casalinghe. L’inchiostro infatti viene emesso dagli ugelli della testina di stampa che si muove sulla superficie di stampa, rilasciando il materiale. In questo caso la stampa si effettua utilizzando una soluzione di oro liquido, che rende quindi il circuito completamente edibile, essendo l’oro un materiale inerte già ampiamente utilizzato in pasticceria. La stampa a getto di inchiostro risulta non solo più veloce ed economica, ma anche in grado di produrre circuiti complessi rispetto ad altri processi di fabbricazione altrettanto diffusi nell’industria dei semiconduttori, come ad esempio la fotolitrografia – che riproduce su un substrato fotosensibile il circuito desiderato esponendolo a un fascio di fotoni o di elettroni.
Il funzionamento del circuito è garantito poi dal chitosano, che ha la proprietà di assorbire l’acqua dei tessuti umani: dopo aver ingerito il circuito, esso fungerà da elettrolita e ne consentirà il funzionamento. Inoltre, proprio grazie al contatto con l’acqua presente nel corpo, il dispositivo può essere utilizzato come sensore per valutarne i parametri fisiologici, come temperatura e acidità.
La prima batteria commestibile
Il lavoro di ricerca nell’ambito di questo ambizioso progetto ha poi portato al il primo prototipo al mondo di batteria ricaricabile e commestibile mai prodotta (Figura 4), realizzata a partire da materiali alimentari. Questo risultato è stato discusso sulla rivista internazionale Advanced Materials.
I poli positivo (anodo) e negativo (catodo) della batteria sono così realizzati: l’anodo è composto in riboflavina, ovvero la comune vitamina B2; mentre il catodo è costituito da un materiale antiossidante come la quercetina, che è una molecola naturalmente presente in mandorle e capperi. Tali materiali sono in grado di trattenere e rilasciare carica elettrica in maniera continuativa.
Per evitare cortocircuiti, è necessario che ogni batteria abbia un separatore tra anodo e catodo: in questo caso sono state utilizzate le alghe nori, utilizzate nel sushi. Per aumentare la conducibilità elettrica, e quindi trasportare più efficacemente le cariche, si è scelto il carbone attivo (materiale antitossico che si estrae da vegetali ed è molto diffuso come farmaco da banco), mentre come elettrolita è sufficiente sfruttare l’acqua fisiologica. Infine, gli elettrodi sono stati incapsulati in cera d’api, da cui escono due contatti in oro alimentare a partire da un supporto derivato dalla cellulosa.
La tensione di esercizio della batteria è di 0.65 V: abbastanza bassa da non creare problemi al corpo umano se ingerita, ma sufficiente ad alimentare piccoli dispositivi elettronici come led e sensori a basso consumo. Questo prototipo può fornire una corrente di 48 μA per 12 minuti, o di pochi μA per più di un’ora. Il team di ricercatori ora si sta impegnando per svilupparne una versione miniaturizzata, dalle dimensioni di una pillola.
Potenzialità e limiti della tecnologia
Queste tecnologie, che ad oggi sono ancora in uno stato embrionale, potranno avere applicazione in molteplici settori di frontiera: dal monitoraggio della qualità dei cibi, alla diagnostica della salute del nostro corpo, fino alla robotica edibile. Per esempio, il loro utilizzo sul cibo può essere sfruttato per verificare se un alimento che abbia superato la data di scadenza sia ancora commestibile, così come per controllare l’effettiva qualità di un alimento che non ha ancora oltrepassato la data di scadenza. Applicare sensori sugli alimenti per monitorarne lo stato ridurrebbe quindi gli sprechi alimentari, nonché preverrebbe di esporre l’organismo a malattie.
Una limitazione dell’attuale prototipo di batteria è quello dei tempi di ricarica, notevolmente inferiore rispetto alle batterie tradizionali. Tuttavia, il focus della ricerca al momento tralascia questo aspetto a favore dell’importanza di sviluppare batterie effettivamente sostenibili, a partire da materiali non tossici, che invece sono lo scheletro delle attuali batterie.
Questo filone di ricerca getta le basi per una tecnologia innovativa e con impatti ambientali davvero limitati.
Il rischio residuo resta quello di un ulteriore aggravio sulla produzione del cibo, che potrebbe derivare dall’utilizzo di materie prime di origine alimentare per la produzione delle batterie. L’idea in merito è quella di indagare metodologie per estrarre molecole a partire dagli scarti alimentari, cercando di abbattere i costi della loro purificazione pur mantenendone integre le proprietà.
Conclusioni e sviluppi futuri
Il frutto di questa ricerca giovanissima è pieno di potenzialità. Nonostante i limiti della tecnologia, le scoperte del gruppo coordinato dall’ingegner Caironi hanno riscosso un enorme riscontro mediatico: la notizia della produzione della prima batteria edibile è stata ripresa da quotidiani e riviste in tutto il mondo, superando in pochi mesi le 250 notizie pubblicate. Ne ha parlato anche la redazione di TIME, inserendola tra le 200 invenzioni più rilevanti del 2023 che stanno cambiando il nostro modo di vivere. In particolare, oltre a quanto già citato, si menziona il potenziale della batteria anche in applicazioni di maggiore consumo, ad esempio nei giocattoli per bambini, dove il rischio di ingestione è elevato.
A partire da un finanziamento ERC, il progetto ELFO ha fatto quindi da apripista per la ricerca e lo sviluppo dei primi circuiti e batterie commestibili che, grazie alle moltissime possibilità di impiego che spaziano dalla diagnostica al mercato di consumo, si afferma come invenzione ad altissimo impatto sociale.
Fonti ed approfondimenti:
- Time.com – Non-toxic Power, Italian Institute of Technology Edible Rechargeable Battery
- IIT – Istituto Italiano di Tecnologia
- Forbes – Time inserisce la prima batteria commestibile italiana tra le migliori invenzioni del 2023
- Wired – La prima batteria commestibile italiana è tra le migliori invenzioni del 2023
- Advanced Materials – An Edible Rechargeable Battery
- Nanoscale – Chitosan-gated organic transistors printed on ethyl cellulose as a versatile platform for edible electronics and bioelectronics
- ERC – European Research Council
