Computer di dimensioni quasi microscopiche sono ormai alla portata della tecnologia elettronica. L’ultimo ostacolo da superare riguarda lo sviluppo di metodi per ottimizzarne l’efficienza energetica in modo da produrre batterie di dimensioni anch’esse minuscole ma a lunghissima durata
di Stuart Biles / Scientific American
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Ricordate Salto nel buio, la commedia fantascientifica degli anni ottanta su una microscopica capsula con equipaggio iniettata in un essere umano?

Anche se siamo lontani anni dal lancio di sottomarini all’interno dei nostri corpi, i progressi dell’ingegneria hanno reso possibile la costruzione di computer così piccoli che l’idea di inserirli nel tessuto vivente non è più solo il parto dell’immaginazione di uno scrittore di fantascienza.

Sono già passati vent’anni da quando lo scienziato britannico Kevin Warwick impiantò per la prima volta un trasmettitore RFID al silicio nel suo braccio per controllare a distanza i computer di porte, luci e altri dispositivi. In seguito ha fatto un ulteriore passo avanti interfacciando il dispositivo con il proprio sistema nervoso in modo da controllare un braccio robotico, e guadagnarsi il soprannome di “Captain Cyborg”.

Anche se non è una notizia da strillare ogni giorno in prima pagina, il ritmo della tecnologia dei microcomputer non ha rallentato, e a volte resto ancora stupito dall’ingegnosità di alcuni nuovi sviluppi.

Per esempio, all’inizio di quest’anno, un team dell’Università del Michigan diretto da David Blaauw, docente di ingegneria elettronica e informatica, ha usato un processore ad alta efficienza energetica costruito dall’azienda per cui lavoro, la Arm, per costruire il computer più piccolo del mondo.

Il dispositivo, che misura appena 0,3 millimetri di lato, ha solo un decimo delle dimensioni del precedente detentore del record, un computer a energia solare non più grande di un granello di sale.

Dato che è possibile integrare nel nuovo dispositivo dei sensori di temperatura e pressione, il team di Blaauw prevede che, tra le altre applicazioni, potrebbe essere impiantato nei tumori per determinare se si riducono dopo i trattamenti chemioterapici. (Gli studi dimostrano che i tumori possono avere temperature leggermente superiori a quelle dei tessuti sani).

Anche se lo sviluppo di minuscoli computer è entusiasmante, ci sono ostacoli che ne impediscono un’ampia diffusione nel settore sanitario e in altri settori. Uno dei problemi maggiori è la creazione di batterie sufficientemente piccole per alimentare i dispositivi.

Via via che le dimensioni delle batterie si riducono, anche la quantità di energia che immagazzinano diminuisce drasticamente. Le batterie necessarie per i computer minuscoli sono notevolmente più piccole delle piccole batterie convenzionali usate per alimentare dispositivi come i pacemaker e gli impianti cocleari, e la loro capacità – dice Blaauw – può essere mille volte inferiore.

Una possibile soluzione è trovare il modo per ricaricare frequentemente i dispositivi. Per esempio, i raggi infrarossi possono ricaricare a distanza i sensori impiantati in topi di laboratorio.

Gli scienziati stanno anche studiando come produrre elettricità per piccoli computer sfruttando una tecnica nota come recupero di energia termoelettrica, anche se finora non ci sono stati successi a una scala così piccola. Per far sì che questa tecnica funzioni, ci deve essere una differenza di temperatura tra due superfici di un dispositivo, ma i nuovi mini computer sono così piccoli che è difficile rendere una loro parte qualsiasi molto più calda di un’altra.

Altri metodi ancora allo studio prevedono il ricorso a molecole di glucosio come fonte di energia.

Una soluzione efficace potrebbe essere quella di risparmiare la piccola quantità di energia che può essere immagazzinata in una batteria minuscola. Blaauw e il suo team hanno visto che possono ridurre drasticamente il consumo di energia “svegliando” solo periodicamente i computer per fare calcoli e poi rimettendoli a riposo.

Oltre a massimizzare la quantità di tempo in cui i piccoli computer non sono attivi, si può abbattere il loro consumo energetico riducendo la quantità di elettricità che consumano quando sono attivi.

Blaauw e il suo gruppo sono riusciti a ridurre il consumo di energia a riposo del loro computer fino alla soglia infinitesimale di 30 picowatt, 300 trilionesimi di watt, grazie a una modificazione dei transistor usati, alla riduzione delle dimensioni di alcuni circuiti e ad alcune ottimizzazioni dei circuiti.

Le piccole dimensioni e il ridotto consumo energetico dei mini computer però servirebbero a poco se i dati che raccolgono non potessero essere comunicati correttamente. Per consumare meno elettricità possibile, Blaauw e il suo team hanno dovuto modificare anche questo processo.

Attivando l’antenna radio per le trasmissioni solo per pochi miliardesimi di secondo, i computer possono farsi riconoscere senza sprecare troppa energia. “Perché una radio possa essere sentita, deve ‘urlare’ piuttosto forte”, ha detto Blaauw. “In sostanza, abbiamo fatto sì che invece di urlare tutto il tempo, emetta solo un segnale forte ma breve.”

Se i gruppi di ricerca come quello di Blaauw riescono a superare gli ostacoli tecnologici, è verosimile che un giorno i computer minuscoli potranno rivoluzionare ben più del rilevamento dei tumori.

La CubeWorks, un’azienda nata dall’iniziativa Michigan Micro Mote (M3) dell’Università del Michigan, ha sviluppato un sistema di microsensori in rete che possono essere incorporati in oggetti di uso quotidiano – dai sistemi domotici ai parchi eolici fino ai dispositivi per monitorare i livelli di glucosio – e collegati all’Internet degli oggetti.

Alimentati dalla luce solare, questi computer possono raccogliere informazioni sulla temperatura e la pressione dell’ambiente, oltre a scattare immagini digitali e tracciare il movimento all’interno di una determinata area. Un giorno, sistemi come questi potranno trasformare il modo in cui interagiamo con tutto, dagli edifici in cui viviamo agli abiti che indossiamo.

Anche se non saremo ancora in grado di lanciare sottomarini all’interno del nostro corpo, i computer di dimensioni millimetriche probabilmente arriveranno sul mercato nel prossimo decennio e cominceranno ad avere un impatto significativo sul mondo.

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L’AUTORE
Stuart Biles è il direttore di ricerca dell’azienda di microelettronica e informatica Arm.

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(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 28 dicembre 2018. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)