di Immaginate una monetina da un centesimo. Immaginate che, all’interno di quella piccolissima superficie, ci stia perfettamente un dispositivo potente, in grado di “sentire” le vibrazioni di un ponte e convertirle in energia, e allo stesso tempo di trasmettere quei dati per monitorare la stabilità del ponte stesso. Il tutto, senza danneggiare l’ambiente. Sono i micro sensori messi a punto attraverso il progetto MetaVEH (Metamaterial Enabled Vibration Energy Harvesting) concluso a settembre 2025, a cui hanno lavorato i ricercatori di un consorzio internazionale di atenei e privati costituito da Politecnico di Milano, il capofila ZHAW Zürich e Imperial College London, insieme alle aziende Multiwave Technologies e STMicroelectronics.
MetaVEH ha avuto l’avallo – con un finanziamento di 4 milioni di euro – del programma dell’Unione Europea Horizon 2020 all’interno di una call FET Proactive “Pillar 1 – Excellent Science”, che richiedeva la presentazione di progetti proattivi nell’ambito di tecnologie future emergenti con, in particolare, un focus sulla riduzione delle emissioni di CO2.
Infatti i sensori sviluppati non solo non contengono materie prime tossiche per l’ambiente come il piombo, o critiche da reperire come le terre rare – utilizzando invece un elemento molto comune come il nitruro d’alluminio – ma non hanno neppure bisogno di batterie (anch’esse inquinanti) per il loro funzionamento. E questo grazie al cosiddetto “energy harvesting”, ovvero l’utilizzo dell’energia disponibile nell’ambiente sotto forma di vibrazioni attraverso l’impiego di materiali detti piezoelettrici, cioè che consentono di convertire l’energia meccanica in energia elettrica. Inoltre, per amplificare le prestazioni dei dispositivi energy harvester è stata sviluppata e brevettata (dal Politecnico di Milano e da Imperial College London) una nuova tipologia di metamateriali meccanici – materiali appositamente “ingegnerizzati” per avere determinate proprietà e reazioni – in grado di manipolare la propagazione delle onde elastiche: sono così in grado di “catturare” l’onda che li attraversa, forzandola a concentrarsi dove è posizionato il materiale piezoelettrico, fenomeno denominato “rainbow trapping”, termine che evoca l’intrappolamento dell’onda elastica e la separazione dei segnali in frequenza tipica dell’arcobaleno.
Quella dell’autonomia energetica è una caratteristica essenziale per sensori da utilizzare per il monitoraggio dell’integrità di strutture e infrastrutture (ponti, autostrade), e che quindi verrebbero posizionati in punti decisamente difficili da raggiungere per il ricambio di batterie. Alcuni esempi di futuri pratici? Nel campo delle telecomunicazioni 6G o per il monitoraggio in zone a rischio sismico.
Raffaele Ardito, docente del DICA – Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale e coordinatore di MetaVEH per il Politecnico di Milano, ci ha spiegato la genesi e le varie fasi del progetto, i cui risultati sono frutto di un grosso lavoro di squadra non solo con gli enti coinvolti, ma anche tra i dipartimenti e i laboratori interni all’ateneo.
Come è nato MetaVEH? Da dove è scaturita l’idea e come sono stati coinvolti gli altri partner?
Stavo già lavorando su tematiche di energy harvesting, argomento che noi trattiamo dal 2013 circa, tanto che intorno al 2015 avevamo già realizzato un brevetto con STMicroelectronics per sfruttare l’interazione magnetica e migliorare le prestazioni degli harvester. Ho presentato questa ricerca a una conferenza nel 2019, a cui era presente anche il collega Andrea Colombi, allora docente presso ETH Zürich – e poi passato a ZHAW Zürich nel corso del progetto – il quale mi approcciò perché aveva trovato interessante il mio intervento. Mi disse che si poteva magari coniugare il tema ai metamateriali che, allora, stavo già seguendo. Il caso volle che a pochi mesi da quella conferenza uscì la call di Horizon 2020 proprio sulle tecnologie potenzialmente decarbonizzanti, che mi fu segnalata dal collega Richard Craster, docente di Imperial College London con cui stavamo collaborando perché avevamo un dottorando in comune. La call sembrava essere fatta ad hoc per noi e da lì abbiamo concepito il progetto MetaVEH, di più ampio respiro, che riuniva tutte le diverse tematiche che ognuno di noi stava trattando separatamente: i metamateriali, i materiali piezoelettrici per gli harvester, l’interazione con i materiali magnetici.
Qual è stato il ruolo del team del Politecnico di Milano all’interno di MetaVEH? Quali soluzioni avete trovato?
Abbiamo lavorato a stretto contatto con Imperial College London che ha sviluppato delle tecniche numeriche per l’analisi e l’ottimizzazione dei metamateriali, tecniche poi da noi adottate per progettare questi metamateriali, ottimizzati e coniugati con il materiale piezoelettrico per creare il prototipo alla macro scala che consentisse di avere migliori prestazioni per l’energy harvester.
Per individuare dei materiali piezoelettrici senza piombo, ci hanno aiutato molto alcuni colleghi del nostro Dipartimento di Meccanica, in particolare Nora Lecis, attraverso il laboratorio interdipartimentale Funtasma (Functional Sintered Materials) dotato di stampanti 3D binder jetting con le quali abbiamo potuto creare i prototipi in KNN, ovvero niobato di sodio e potassio, un materiale ceramico piezoelettrico di nuova concezione.
In virtù del precedente brevetto con STMicroelectronics, abbiamo poi lavorato sull’interazione magnetica migliorandola con l’applicazione di tecniche di calcolo avanzate e implementandola in prototipi di laboratorio. Insieme ai colleghi di Polifab, in particolare il gruppo di Riccardo Bertacco e Federico Maspero (entrambi del Dipartimento di Fisica, nda) abbiamo pensato a nuove configurazioni, ispirandoci a proposte fatte in altri campi, per creare un’interazione magnetica il più efficiente possibile grazie al fenomeno di magnetic shielding: i nuclei magnetici vengono schermati da altri magneti con polarizzazione opposta, in modo da creare un’interazione impulsiva: era uno dei nostri obiettivi, cioè noi volevamo avere un’interazione il più possibile impulsiva per eccitare tutte le frequenze del metamateriale, creando dei prototipi funzionanti anche in un contesto di vibrazioni reali.
Qui sopra: l’interno del Polifab, centro per la micro e nano fabbricazione del Politecnico di Milano
C’era anche il tema della conversione elettromeccanica: il metamateriale è come una tastiera con molte frequenze diverse, e da ogni tasto fuoriesce un segnale elettrico con una determinata frequenza. Raccogliere tutti i segnali è un’operazione parecchio complicata perché non basta sommarli tra loro, essendo presente un’inevitabile differenza di fase anche tra risonatori nominalmente identici: va utilizzata una tecnica detta rettificazione, che consente di sommare i segnali in modo che le tensioni abbiano tutte lo stesso segno. Abbiamo provato con rettificatori meccanici che, però, non ci hanno soddisfatto. Quindi con i colleghi di ETH abbiamo sviluppato dei rettificatori elettronici particolari cheabbiamo chiamato EMetaNode: un sistema con un “nodo” fatto da un metamateriale, con circuiti elettronici ad hoc in grado di sommare tutti i segnali. Sarà pubblicato uno studio al riguardo sul numero di marzo 2026 del prestigioso Journal of Sound and Vibration. Infine, con STMicroelectronics abbiamo lavorato alla realizzazione del prototipo di sensore su scala MEMS ((Micro-Electro-Mechanical Systems), cioè micro. L’elemento progettato è forse la prima proposta di energy harvester col nitruro d’alluminio su scala micro.
E il nitruro d’alluminio è fondamentale per la classificazione di questi sensori come “green”, un aspetto fondamentale per la call Horizon 2020...
Certo, abbiamo messo l’accento sulla possibilità di utilizzare dei materiali poco inquinanti. Di solito, si prevedeva l’utilizzo del materiale piezoelettrico PZT (piombo zirconato di titaniato, nda) che però contiene piombo ed è quindi tossico. Uno degli obiettivi invece era proprio di studiare anche l’utilizzo di materiali piezoelettrici senza piombo, e devo dire che è stato un grande successo: col supporto di STMicroelectronics sono stati realizzati i prototipi col nitruro di alluminio, materiale molto promettente, e poi abbiamo cominciato a studiare nei nostri laboratori appunto il KNN, anch’esso un materiale green, col quale abbiamo fatto validazioni sulla scala macro. Ora stanno uscendo proposte in letteratura anche sulla microscala, quindi siamo stati dei pionieri nell’utilizzo di questo materiale che, secondo me, verrà impiegato sempre di più.
Da dove è venuta l’intuizione di utilizzare le vibrazioni dei ponti?
Il monitoraggio delle strutture e delle reti di infrastrutture è sempre stato il nostro focus, e questa ci sembrava l’applicazione pratica più promettente. Anni fa avevo già lavorato a progetti pilota per installare della sensoristica sulle torri per le telecomunicazioni: accelerometri, inclinometri, anemometri… Uno dei problemi era l’alimentazione ma, in quel caso, la corrente elettrica non mancava. Invece in situazioni ambientali o infrastrutturali remote, la rete elettrica non arriva e bisognerebbe usare batterie che sono notoriamente inquinanti. Per cui abbiamo pensato a questo dispositivo come killer application. I colleghi di Multiwave Technologies, l’altra azienda che ha partecipato al progetto, hanno lavorato sulla trasmissione dati per capire come il nodo sensoristico alimentato dall’harvester possa raccogliere dati, per esempio da un accelerometro, e trasferirli con tecnologie wireless a bassissimo consumo energetico.
Quali sono gli step successivi, ora che il progetto è concluso?
Intanto, tutto starà a saper utilizzare correttamente i dati così raccolti, ed è un altro filone di ricerca. Mi capita sempre più spesso di parlare con gestori, anche importanti, di reti infrastrutturali, che non sanno bene come interpretare tutta la mole di dati che riescono a raccogliere. Su questo sto lavorando, in particolare, coi colleghi Alberto Corigliano e Stefano Mariani (entrambi del DICA, nda) sull’applicazione degli algoritmi di intelligenza artificiale per l’interpretazione di questi dati, che non può essere eseguita da un utente standard. Un’ottima possibilità è data da agenti AI con tecniche che studiamo ormai da anni, come il reinforcement learning. In alcuni casi, l’abbondanza di dati è tale che si potrebbe applicare con successo il paradigma dei “gemelli digitali”, i digital twin, al fine di tenere sotto controllo l’evoluzione delle strutture nel tempo, e proporre azioni manutentive in risposta a eventuali danneggiamenti rilevati dall’algoritmo.
Poi la ricerca di MetaVEH continua anche per quanto riguarda i dispositivi. L’elemento realizzato in scala MEMS col nitruro d’alluminio dev’essere associato all’EMetaNode, cioè alla gestione elettronica, e quindi integrato in un sensore e con la trasmissione dati per creare un sistema totalmente funzionante. Tutti questi pezzi per ora sono stati integrati in maniera completa alla scala macroscopica e vanno convertiti a quella microscopica: l’idea è di raggiungere un livello di maturità tecnologica più avanzato, attraverso progetti di transizione che consentono ulteriori finanziamenti, per poter arrivare sul mercato.
Perché è così importante arrivare alla scala micro col sistema operativo completo? Qual è il vantaggio?
In questo modo i sensori sono molto più facili da utilizzare, più versatili e soprattutto molto più economici. Consentirebbero di coprire anche reti infrastrutturali molto vaste con una spesa irrisoria: sono sensori a bassissimo costo, per cui la spesa maggiore è l’installazione dei sistemi che poi, grazie alla nostra soluzione, diventano praticamente autonomi da un punto di vista energetico, senza bisogno di ulteriori interventi.