Mario Caironi è un ingegnere elettronico, e lavora come ricercatore presso l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). Si è laureato in ingegneria elettronica nel 2003, con una tesi che ha segnato l'inizio del suo percorso di ricerca. In questa intervista per la Società Italiana di Elettronica ha raccontato di come il suo percorso formativo l’abbia poi portato a lavorare sull’elettronica commestibile.
“Durante il lavoro di tesi, ho avuto l'opportunità di operare in un laboratorio specializzato in esperimenti su dispositivi elettronici, come fotorivelatori e memorie, utilizzando materiali emergenti disponibili in quegli anni: semiconduttori organici, molecole a base di carbonio con proprietà simili a quelle di altri semiconduttori. Dopo questa esperienza, ho deciso di intraprendere un dottorato in ingegneria dell'informazione al Politecnico di Milano, continuando a lavorare sull'elettronica organica, per poi ampliare le mie competenze nel campo con un periodo di postdoc presso il Cavendish Lab di Cambridge, uno dei laboratori internazionali di riferimento per l’elettronica organica. In quel periodo, ho iniziato a lavorare su transistor e dispositivi di microelettronica realizzati con materiali organici, utilizzando tecniche di stampa, come il getto di inchiostro, trasformando i semiconduttori in inchiostri per realizzare questi dispositivi. Rientrato in Italia nel 2010, ho iniziato a lavorare come Group Leader all'Istituto Italiano di Tecnologia portando le mie competenze sull'elettronica organica stampata”.
Cos’è l'elettronica commestibile?
“L’elettronica commestibile ha l'obiettivo di creare una nuova tecnologia che di fatto fa le stesse cose dell'elettronica a cui siamo abituati ma sostituisce i materiali che fan parte della tecnologia attuale con materiali commestibili, che possono cioè essere tranquillamente ingeriti nel nostro corpo senza alcun problema legato alla tossicità. Anzi possono essere in alcuni casi digeriti, o persino metabolizzati”.
L’elettronica commestibile sviluppata da Mario Caironi vede numerosi impieghi sia in ambito sanitario che alimentare grazie all’utilizzo di sensori che possono essere ingeriti in sicurezza senza alcun controllo medico.
“L’elettronica commestibile offre la possibilità di sviluppare ‘smart pills’ (pillole intelligenti) che una volta ingerite consentono di leggere alcuni parametri del nostro corpo, da quelli fisiologici come pH e temperatura, a dei marcatori legati a situazioni particolari della nostra salute. Esiste già una tecnologia simile, l'elettronica ingeribile, che utilizza pillole con elettronica standard incapsulata, impedendo il contatto diretto con il corpo. Queste pillole, però, non vengono assimilate, restano rigide e attraversano il tratto intestinale fino a essere espulse.
Sebbene molto potente, l'elettronica ingeribile presenta dei limiti. Uno dei principali è legato alla ritenzione: può essere somministrata solo a persone in grado di eseguire regolarmente la funzione fisiologica di evacuazione. Un altro problema riguarda l'impatto ambientale, perché questi dispositivi sono destinati a essere eliminati e dispersi nell'ambiente ed è poco sostenibile gettare continuamente microchip senza considerarne le conseguenze.
In definitiva, l'elettronica ingeribile è fatta per non degradarsi all'interno del corpo quindi è possibile recuperarla oppure diventerà un rifiuto elettronico di cui probabilmente si perderà persino traccia. L’elettronica commestibile, invece, è fatta per durare solo il tempo necessario per fare quell'operazione all’interno del corpo dopodiché viene degradata”.
L'elettronica commestibile adotta un approccio innovativo e radicale, cercando di ricreare tutte le funzionalità di un circuito logico utilizzando esclusivamente materiali sicuri e biodegradabili. Questo permette di ingerire una pillola senza rischi, perché anche se dovesse rimanere nel corpo, verrebbe naturalmente degradata durante la digestione, esattamente come un normale alimento. Un ulteriore vantaggio è che non ci si deve preoccupare del suo smaltimento dato che i materiali utilizzati non generano rifiuti elettronici, rendendo l'intero sistema sostenibile e privo di impatto ambientale.
L’ingegnere elettronico e le smart pills
“Il nostro approccio è quello di utilizzare tecniche che siano appunto poco energivore, cioè che permettano un flusso di produzione elevato con investimenti di impianti limitati. Tipicamente utilizziamo tecniche che consentono formulazioni di inchiostri da usare per stampare dispositivi di microelettronica. Il tutto viene poi reso commestibile anche grazie all’utilizzo di materiali che vengono quotidianamente ingeriti senza reazioni avverse, come i pigmenti contenuti nei dentifrici. Questi materiali possono poi essere usati come transistor che consentono di realizzare circuiti commestibili.
Le pillole intelligenti verranno poi collegate a un software progettato per raccogliere e monitorare i dati in tempo reale. L'obiettivo è quindi quello di creare un sistema capace di comunicare con l'esterno, permettendo di leggere le informazioni rilevate dalla pillola, proprio come si fa con un elettrocardiogramma, analizzando i segnali elettrici nel tempo. Questo software sfrutterà la potenza dell'elettronica esterna alla pillola commestibile per elaborare e interpretare i dati”.
Mario Caironi aggiunge che il transistor è l'elemento fondamentale di un circuito elettronico, quindi è essenziale avere una solida comprensione del suo funzionamento. L’ingegnere elettronico è la figura che ha una conoscenza approfondita della fisica del dispositivo che gli permette di applicare queste competenze all'utilizzo di diversi materiali.
“Spesso, gli ingegneri che si avvicinano a questi nuovi progetti possono sentirsi intimiditi di fronte a molecole e a materiali funzionali ‘esotici’ per l’elettronica che si studia in Università, ma è proprio la competenza in elettronica che costituisce la base per affrontare questi progetti, che poi diventano multidisciplinari. Prima di arrivare alla realizzazione di una pillola elettronica, infatti, è necessario lavorare con molecole e formulazioni, il che richiede competenze pratiche e la disponibilità a ‘sporcarsi le mani’ in laboratorio. In questo contesto, l'ingegnere elettronico collabora strettamente con il chimico e lo scienziato dei materiali. Inoltre, quando si passa all'applicazione biomedica, è fondamentale coinvolgere anche i clinici, che possono chiarire il problema da affrontare e contribuire, insieme, a trovare la soluzione più giusta”.
L'elettronica commestibile presenta numerosi vantaggi, sia ambientali che economici. Un aspetto importante è la possibilità di somministrare queste pillole con un monitoraggio continuo e quotidiano a distanza, senza la necessità di recarsi in ospedale né per l'assunzione né per la rimozione del dispositivo. Questo approccio si integra perfettamente per esempio con la medicina digitale e la telemedicina, permettendo ai medici di monitorare i pazienti da remoto, riducendo così il carico sulle strutture sanitarie e limitando la necessità di controlli in presenza.
“In futuro, l'ingegnere elettronico sarà una figura chiave, capace di interagire con una vasta gamma di discipline sempre più integrate tra loro. Sarà sempre di più un’interfaccia tra settori diversi, dal medicale al digitale, garantendo il collegamento tra tecnologie avanzate come l'intelligenza artificiale e l'ambito medico. Tra l'intelligenza artificiale e la medicina, infatti, ci sono i componenti elettronici, e occorre conoscere a fondo le leggi fisiche che permettono di raccogliere, interpretare e trasferire i dati affinché possano essere elaborati. La domanda di ingegneri elettronici è in costante crescita, ma purtroppo questa figura professionale è ancora difficile da reperire”.
Opportunità professionali per l’ingegnere elettronico
Mario Caironi sta sviluppando i suoi progetti di ricerca nell’ambito di un finanziamento ottenuto nel 2019 da parte dell’European Research Council per il progetto ELFO, che esplora il campo dell’elettronica commestibile. Dal 2021, invece, il suo gruppo fa parte del progetto europeo RoboFood, che è volto alla realizzazione di robot commestibili per portare cibo in situazioni di emergenza senza aumentare i costi legati al trasporto. Un approccio innovativo per esempio potrebbe essere l’impiego di un drone per trasportare cibo, ma anche farmaci in aree di difficile accesso. Un’altra applicazione potrebbe essere quella di portare cibo alla fauna selvatica in modo da evitare che si sposti verso le città.
“I nostri progetti ci hanno consentito di compiere significativi progressi in diverse aree, e ci aspettiamo di ottenere risultati di grande rilievo. Siamo costantemente alla ricerca di ingegneri elettronici e al momento sono disponibili numerose opportunità di lavoro sul sito dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). A breve verrà pubblicata una call per dottorati, specificamente dedicata ai progetti di elettronica commestibile”.