Accelerometri, giroscopi e sensori inerziali di precisione sono progettati per misurare movimenti estremamente piccoli. Questa sensibilità, indispensabile per ottenere misure accurate, crea però un problema: il sensore non distingue automaticamente il movimento che interessa misurare dalle vibrazioni prodotte dall’ambiente, dal motore di un veicolo, da una pompa, da un ventilatore o dalla stessa apparecchiatura sulla quale è installato.
Un gruppo di ricercatori della University of Windsor, in Canada, e della University of Arizona, negli Stati Uniti, ha studiato una soluzione differente rispetto ai normali supporti antivibranti: una struttura meccanica progettata in modo che sia la sua stessa geometria a impedire a determinate frequenze di propagarsi verso il sensore.
La struttura viene indicata come metaplate, una piastra metamateriale costituita da elementi risonanti ripetuti. Il lavoro, intitolato Design and Validation of Locally Resonant Metaplate with Tunable Bandgaps for Inertial Sensors, è stato sviluppato da un gruppo che comprende Mahir Daian Chowdhury, Hanya Asim, Atkin D. Hyatt e Dalziel J. Wilson, nell’ambito della collaborazione fra la University of Windsor e l’Arizona Quantum Optomechanics Lab della University of Arizona.
Un preprint del lavoro era disponibile nel 2025; il 3 luglio 2026 l’Arizona Quantum Optomechanics Lab ha comunicato che lo studio è stato accettato per la pubblicazione sul Journal of Physics D: Applied Physics.
L’interesse per la produzione additiva deriva da un aspetto fondamentale del progetto: la capacità di filtrare le vibrazioni non dipende soltanto dal materiale impiegato, ma dalla geometria interna della struttura. La stampa 3D permette di costruire in un singolo componente forme risonanti che, con lavorazioni tradizionali, potrebbero richiedere numerosi pezzi, assemblaggi o lavorazioni complesse.
Quando il rumore meccanico diventa il limite del sensore
Un sensore inerziale converte il movimento in un segnale misurabile.
Nel caso di un accelerometro, una massa interna reagisce all’accelerazione dell’apparecchio. Nei giroscopi vengono misurati effetti associati alla rotazione. Nei sistemi optomeccanici di precisione il movimento di una massa o di un risonatore può invece essere letto utilizzando sistemi ottici, interferometri o cavità ottiche.
In tutti questi casi, una vibrazione estranea alla misura può sovrapporsi al segnale utile.
Il problema diventa particolarmente severo quando si tenta di misurare accelerazioni molto piccole. Una pompa situata sullo stesso banco, il pavimento di un laboratorio, una ventola di raffreddamento o una struttura metallica che entra in risonanza possono generare segnali più grandi di quello che il ricercatore intende osservare.
Per questo i sistemi di misura più sensibili vengono spesso collocati su tavoli ottici, piattaforme antivibranti, sospensioni elastiche o sistemi di isolamento a più stadi.
Queste soluzioni funzionano, ma occupano spazio e non sempre risultano compatibili con sensori che devono essere trasportabili o integrati in strumenti compatti.
È proprio questo il problema affrontato dal gruppo della University of Windsor e della University of Arizona.
La metaplate funziona come un filtro, ma senza elettronica
Una metaplate localmente risonante può essere descritta come l’equivalente meccanico di un filtro in frequenza.
In elettronica un filtro può lasciar passare alcune frequenze e attenuarne altre. Nella metaplate il principio viene applicato alle onde elastiche che attraversano una struttura solida.
La piastra contiene una serie di celle con elementi capaci di oscillare a determinate frequenze. Quando una vibrazione attraversa la struttura, questi risonatori interagiscono con l’onda meccanica.
In uno specifico intervallo di frequenze può formarsi un bandgap, cioè una banda nella quale la propagazione della vibrazione viene fortemente ridotta.
Il termine bandgap viene utilizzato anche in altri settori della fisica, ma in questo caso non riguarda la struttura elettronica di un semiconduttore. Si tratta di una banda di frequenze nella quale le onde elastiche incontrano una forte opposizione alla propagazione attraverso la struttura.
Il componente diventa quindi contemporaneamente struttura portante e filtro meccanico.
La differenza rispetto a gomma, molle e smorzatori
L’isolamento tradizionale delle vibrazioni utilizza spesso elastomeri, molle, materiali viscoelastici o sistemi massa-molla.
Questi dispositivi cercano principalmente di ridurre la quantità di energia vibratoria trasferita da una struttura all’altra.
Una metaplate localmente risonante segue una logica diversa.
Non deve necessariamente smorzare nello stesso modo tutte le frequenze. Può essere progettata per creare una forte attenuazione proprio nell’intervallo nel quale opera il sensore o nel quale si concentra una sorgente di disturbo.
Supponiamo, per esempio, che un sensore sia installato vicino a un motore che produce una forte componente vibratoria a una determinata frequenza. In linea di principio è possibile progettare i risonatori della metaplate affinché il bandgap comprenda quella frequenza.
La vibrazione verrebbe quindi ostacolata prima di raggiungere l’elemento sensibile.
Questo approccio può risultare interessante quando la sorgente di rumore è nota e relativamente stabile.
Un’attenuazione superiore a 100 dB nelle bande progettate
Il progetto è stato presentato nel maggio 2025 dalla University of Windsor come piattaforma di isolamento acustico e vibratorio destinata all’accelerometria optomeccanica portatile.
Secondo i risultati comunicati in quella sede, la struttura multiframe con celle localmente risonanti ha mostrato bandgap regolabili capaci di produrre un’attenuazione superiore a 100 dB.
È un dato che va interpretato correttamente.
Non significa che qualsiasi componente costruito con questa geometria elimini 100 dB di vibrazioni in ogni condizione. L’attenuazione riguarda specifiche bande di frequenza generate dal comportamento risonante della struttura.
Fuori da quelle bande il comportamento può essere molto differente.
È proprio questa selettività a rendere interessante la tecnologia: il progettista può cercare di collocare la zona di maggiore attenuazione nella regione dello spettro che crea più problemi al sensore.
Il bandgap può essere modificato intervenendo sulla geometria
Uno degli elementi centrali della ricerca è la possibilità di ottenere bandgap sintonizzabili.
La frequenza alla quale una struttura entra in risonanza dipende da parametri analoghi a quelli che determinano il comportamento di un sistema massa-molla: massa, rigidezza, geometria e distribuzione del materiale.
Modificando la forma di una cella risonante è quindi possibile spostarne la risposta.
Un elemento più flessibile può ridurre la frequenza propria. Una variazione della massa può spostarla ulteriormente. Dimensioni, spessori, lunghezze delle connessioni e distribuzione del materiale diventano quindi parametri di progetto.
Questo significa che due supporti esternamente quasi identici potrebbero avere strutture interne differenti e filtrare bande di frequenza diverse.
È qui che la stampa 3D diventa particolarmente interessante
Il lavoro della University of Windsor è stato progettato attraverso modellazione agli elementi finiti e i dimostratori sono stati realizzati mediante stampa 3D.
La produzione additiva è adatta a questo tipo di ricerca perché consente di modificare rapidamente la geometria delle celle senza costruire utensili specifici per ogni configurazione.
Se una simulazione indica che il bandgap deve essere spostato, il ricercatore può intervenire sul modello digitale e realizzare una nuova versione.
La stampa 3D permette inoltre di costruire cavità, connessioni sottili, masse sospese e strutture periodiche che potrebbero risultare difficili da ottenere mediante fresatura.
Il vantaggio non consiste quindi soltanto nella riduzione del numero dei componenti.
Con l’additive manufacturing la geometria interna diventa una variabile funzionale del pezzo.
Non più una custodia più un antivibrante, ma una custodia che filtra
Una possibile evoluzione del concetto riguarda l’integrazione della metaplate direttamente nella struttura che contiene il sensore.
In un sistema convenzionale si potrebbe avere una custodia rigida collegata a un elemento isolante aggiuntivo.
Con un metamateriale prodotto in additive manufacturing, le due funzioni potrebbero essere combinate.
La parete, il supporto o la base del sensore potrebbero contenere direttamente gli elementi risonanti necessari a limitare la trasmissione di determinate frequenze.
In questo scenario non si stampa semplicemente la forma esterna di una custodia tradizionale: si progetta la microarchitettura del componente affinché abbia una risposta dinamica specifica.
È una differenza importante.
La stampa 3D non viene utilizzata per replicare un pezzo che sarebbe possibile costruire nello stesso modo con altri processi, ma per attribuire al componente proprietà derivanti dalla geometria.
Dalla forma del pezzo alle proprietà del pezzo
Questo concetto appartiene a un campo più ampio, quello dei metamateriali meccanici.
Nei materiali convenzionali le proprietà sono determinate principalmente dalla composizione chimica e dalla microstruttura.
Nei metamateriali una parte significativa del comportamento viene invece costruita attraverso l’architettura.
Lo stesso materiale di base può assumere risposte meccaniche differenti se disposto secondo geometrie differenti.
È possibile progettare strutture con comportamento auxetico, rigidezza direzionale, assorbimento controllato dell’energia o capacità di modificare la propagazione delle onde elastiche.
La produzione additiva ha ampliato le possibilità in questo settore perché permette di costruire geometrie tridimensionali difficili da ottenere con lavorazioni sottrattive.
Un problema particolarmente difficile alle basse frequenze
Filtrare le vibrazioni a bassa frequenza è uno dei problemi più complessi.
Nei metamateriali periodici basati esclusivamente sulla diffusione di Bragg, le dimensioni della struttura sono legate alla lunghezza d’onda da controllare. Quando la frequenza diminuisce, la lunghezza d’onda aumenta e il dispositivo necessario può diventare troppo grande.
La risonanza locale permette di aggirare parzialmente questo limite.
Una piccola struttura risonante può interagire con onde la cui lunghezza d’onda è molto maggiore delle dimensioni della singola cella.
Per questo le metaplates localmente risonanti sono studiate proprio per applicazioni nelle quali è necessario ottenere isolamento a frequenze relativamente basse mantenendo strutture compatte.
Un secondo studio del 2026 mostra quanto conta la libertà geometrica
Il legame fra additive manufacturing e controllo dei bandgap è stato approfondito anche da un altro gruppo di ricerca della Seoul National University, insieme a Hyundai Mobis.
Nel luglio 2026 i ricercatori hanno pubblicato su npj Metamaterials uno studio dedicato a metamateriali meccanici con bandgap a bassa frequenza regolabili.
Il loro problema era particolarmente interessante.
In molti risonatori la massa interna e gli elementi flessibili che funzionano da molle sono geometricamente collegati. Cambiando una dimensione per aumentare la massa si modifica contemporaneamente anche la rigidezza.
Questo rende difficile controllare separatamente i due parametri.
Il gruppo della Seoul National University e di Hyundai Mobis ha sfruttato la libertà geometrica dell’additive manufacturing per fare penetrare i montanti all’interno della massa risonante.
In questo modo lunghezza degli elementi elastici e dimensione della massa possono essere regolate con maggiore indipendenza.
Il lavoro ha mostrato sperimentalmente come questa strategia permetta di progettare intervalli di bandgap specifici e di costruire veri filtri per onde elastiche.
Non è lo stesso dispositivo sviluppato dalla University of Windsor e dalla University of Arizona, ma conferma una tendenza comune: utilizzare la geometria ottenibile con la stampa 3D per controllare direttamente la propagazione delle vibrazioni.
Perché la precisione della stampa diventa critica
La stessa caratteristica che rende interessante una metaplate la rende anche sensibile agli errori produttivi.
Se il comportamento del componente dipende dalla frequenza propria di piccoli elementi risonanti, una variazione geometrica può modificare la risposta.
Uno spessore leggermente diverso, una massa più pesante del previsto o una connessione più rigida possono spostare il bandgap rispetto alla posizione calcolata.
Nel caso della produzione additiva entrano quindi in gioco parametri come orientamento di costruzione, precisione dimensionale, anisotropia fra gli strati, porosità, stato di polimerizzazione e post-processing.
La simulazione può prevedere una determinata risposta, ma il componente reale deve essere misurato.
Per un’applicazione di precisione non sarebbe quindi sufficiente controllare soltanto le dimensioni del pezzo. Potrebbe essere necessario caratterizzarne anche la risposta dinamica attraverso prove di vibrazione.
Non tutti i processi di stampa 3D sono equivalenti
La scelta del processo dipenderebbe dalle dimensioni della struttura e dalla frequenza che si intende controllare.
Per un dimostratore relativamente grande possono essere utilizzati sistemi polimerici che consentono di realizzare rapidamente geometrie complesse.
Per strutture più piccole diventano interessanti tecnologie capaci di produrre dettagli più fini.
In applicazioni con maggiori requisiti di temperatura, rigidezza o resistenza potrebbero invece essere considerate tecnologie additive per metalli.
Non significa che il progetto della University of Windsor abbia già validato tutte queste opzioni. Sono percorsi possibili per trasferire il principio verso applicazioni differenti.
Ogni materiale cambierebbe infatti massa, rigidezza e smorzamento e richiederebbe quindi una nuova progettazione dei risonatori.
L’obiettivo finale sono sensori optomeccanici trasportabili
Il progetto canadese-statunitense nasce da un’esigenza ancora più specifica: migliorare l’isolamento dei sensori optomeccanici inerziali.
L’Arizona Quantum Optomechanics Lab della University of Arizona lavora su risonatori nanomeccanici e micromeccanici accoppiati a cavità ottiche e utilizza questi sistemi anche per misure di precisione.
Tra gli obiettivi figurano accelerometri, gravimetri e strumenti utilizzabili per studiare fenomeni estremamente piccoli.
Il gruppo della University of Windsor ha indicato fra gli obiettivi del progetto la possibilità di arrivare a gravimetri optomeccanici portatili e utilizzabili sul campo.
Un gravimetro misura piccole variazioni dell’accelerazione gravitazionale.
Queste variazioni possono essere utilizzate, a seconda della sensibilità e della configurazione dello strumento, in geodesia, geofisica e altre applicazioni nelle quali interessa osservare variazioni della distribuzione delle masse.
Portare uno strumento di questo tipo fuori dal laboratorio significa però rinunciare almeno in parte alle condizioni controllate disponibili su un banco ottico.
L’isolamento dalle vibrazioni diventa quindi uno dei problemi centrali.
Far diventare dominante il rumore termico
Il gruppo della University of Windsor ha espresso l’obiettivo in termini particolarmente chiari: migliorare il rapporto segnale-rumore fino al punto in cui il limite principale sia costituito dal rumore termico del risonatore e non dalle vibrazioni ambientali.
È una distinzione importante.
Il rumore termico è legato alle fluttuazioni fisiche inevitabili di un sistema a temperatura finita. Le vibrazioni provenienti dall’ambiente rappresentano invece un disturbo esterno che, almeno in linea di principio, può essere ridotto attraverso una progettazione migliore.
Una metaplate non rende il sensore privo di rumore.
Serve a eliminare o ridurre una categoria di disturbi affinché diventino visibili limiti più fondamentali del dispositivo.
Dalla scala macroscopica alla microfabbricazione
La ricerca non è conclusa con il prototipo stampato in 3D.
Fra i passi indicati dal gruppo figurano la miniaturizzazione, la fabbricazione su scala più piccola e l’integrazione completa con il sistema di misura.
Ridurre le dimensioni della struttura non significa semplicemente applicare un fattore di scala al modello.
Cambiano le frequenze proprie, le tolleranze produttive acquistano maggiore importanza e possono diventare necessari materiali e processi differenti.
Una metaplate destinata a un dimostratore da laboratorio e una struttura integrata in un sensore microfabbricato appartengono allo stesso principio fisico, ma pongono problemi produttivi differenti.
Un componente personalizzato per ogni ambiente vibratorio
La combinazione fra bandgap regolabile e produzione additiva apre anche un’altra possibilità: produrre varianti della stessa struttura ottimizzate per ambienti diversi.
Un sensore destinato a un drone è esposto a uno spettro vibratorio differente da quello di uno strumento montato su una macchina utensile.
Un dispositivo installato su un veicolo elettrico incontra sorgenti differenti da quelle presenti su un banco ottico.
Con una metaplate progettata digitalmente, la struttura interna potrebbe essere modificata in funzione delle frequenze da attenuare senza cambiare completamente l’architettura esterna.
È un caso nel quale la personalizzazione resa possibile dalla produzione additiva avrebbe uno scopo funzionale e non estetico.
Il limite: un filtro passivo non sa che il motore ha cambiato velocità
Esiste però una differenza importante fra un bandgap regolabile in fase di progetto e un filtro capace di adattarsi durante il funzionamento.
Nel primo caso la geometria viene modificata prima della produzione per posizionare il bandgap in una determinata regione dello spettro.
Una volta stampato il componente, quella geometria rimane sostanzialmente fissa.
Se la sorgente di vibrazioni modifica drasticamente la propria frequenza, il filtro potrebbe non trovarsi più nella condizione ottimale.
Per applicazioni con condizioni molto variabili possono quindi essere necessari metamateriali regolabili attivamente, elementi piezoelettrici o sistemi di controllo.
La metaplate sviluppata per i sensori inerziali è invece interessante proprio per la possibilità di ottenere una forte azione di filtraggio attraverso una struttura passiva, senza dover necessariamente aggiungere un sistema elettronico di cancellazione delle vibrazioni.
La stampa 3D come strumento per progettare il comportamento fisico
L’aspetto più interessante del progetto della University of Windsor e della University of Arizona non è quindi la semplice possibilità di stampare in 3D il supporto di un sensore.
La differenza sta nel progettare quel supporto affinché svolga una funzione che, in una macchina tradizionale, sarebbe affidata a un componente separato.
Una piastra può diventare contemporaneamente struttura, supporto e filtro in frequenza.
La forma interna non serve soltanto a ridurre il peso o il materiale utilizzato: determina direttamente la risposta alle vibrazioni.
È uno dei campi nei quali l’additive manufacturing si allontana maggiormente dalla logica della sostituzione di un processo convenzionale.
Il pezzo non viene stampato perché costa meno fresarlo o perché può essere prodotto più rapidamente. Viene stampato perché la sua geometria può essere progettata per generare una proprietà meccanica specifica.
Nel caso delle metaplates, quella proprietà è la capacità di creare intervalli di frequenza nei quali le vibrazioni hanno difficoltà a propagarsi.
Se i risultati ottenuti dai ricercatori della University of Windsor e della University of Arizona potranno essere trasferiti a strutture più piccole e integrate, una futura generazione di sensori potrebbe quindi non avere più bisogno di essere semplicemente montata sopra un sistema antivibrante.
Una parte del sistema antivibrante potrebbe essere incorporata direttamente nella geometria del sensore o del suo involucro.
” Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI) “
