TX, 12/10/2022
Por Liezel Labios
Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um sensor de suor fino, flexível e elástico que pode mostrar o nível de glicose, lactato, sódio ou pH do seu suor com o toque de um dedo. É o primeiro dispositivo vestível autônomo que permite que o sensor opere de forma independente - sem qualquer conexão com fio ou sem fio a dispositivos externos - para visualizar diretamente o resultado da medição.
Esse adesivo de pele macia totalmente integrado é relatado em um artigo publicado em 6 de outubro na Nature Electronics, refletindo o novo estado da arte dos sensores vestíveis.
O design exclusivo deste pequeno patch em forma de disco inclui todos os componentes essenciais necessários para os sensores vestíveis: duas baterias integradas, um microcontrolador, sensores, o circuito e uma tela extensível. Isso abrange todas as funcionalidades essenciais para operar um sensor vestível, desde a ativação até a exibição dos resultados ao usuário.
"Estamos tentando abordar a questão da praticidade em tecnologias vestíveis", disse o co-primeiro autor Lu Yin, pesquisador de pós-doutorado em nanoengenharia na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs. "Vimos tantas invenções de sensores vestíveis com grande novidade, mas com praticidade limitada."
Um conjunto de empreendimentos de engenharia
Todos os componentes e interconexões, exceto o microcontrolador, são fabricados com tintas elastoméricas personalizadas, que podem ser impressas com serigrafia de baixo custo e alto rendimento em folhas de polímero elástico.
"Isso exige que todos os ramos de engenharia se unam", disse Yin. "Você precisa de especialistas em sensores, displays, baterias, projetos de circuitos, engenharia de firmware, para fazer com que cada módulo dentro deste pequeno patch funcione. A integração deles também requer o conhecimento em eletroquímica, engenharia eletrônica e ciência de materiais, para garantir que todos as peças permanecem elásticas, confiáveis e compatíveis para funcionar perfeitamente juntas como um sistema."
A fabricação do dispositivo envolve a formulação de nove tipos de tintas elásticas diferentes, que foram usadas para imprimir as baterias, circuitos, painel de exibição e sensores. O dispositivo é impresso camada por camada em folhas de polímero elástico e depois montado com hidrogéis e chips microcontroladores no dispositivo completo. Cada tinta foi otimizada para garantir sua compatibilidade com outras camadas, equilibrando seu desempenho elétrico, químico e mecânico.
No estudo, os pesquisadores testaram cada componente do sistema, certificando-se de que a tela, os sensores e as baterias possam ser esticados em até 20% em 1.500 ciclos com pouco ou nenhum efeito em seu desempenho. As baterias também foram embaladas com energia suficiente para garantir que o patch possa durar mais de uma semana de uso ininterrupto.
Para mostrar as amplas possibilidades de aplicação deste adesivo, os pesquisadores demonstraram quatro tipos diferentes de sensores que funcionam com esse adesivo: um sensor de sódio, um sensor de pH, um sensor de lactato e um sensor de glicose. Cada tipo de sensor mediu diferentes métricas no suor durante o exercício.
"Adicionar a tela flexível e a bateria extensível tem um tremendo impacto em plataformas práticas de detecção em microescala epidérmica", disse Joseph Wang, professor de nanoengenharia da UC San Diego. Ele é autor sênior do novo artigo e codiretor do Centro de Sensores Vestíveis da UC San Diego.
A equipe de pesquisa também incluiu um canal fluídico feito de adesivos, para aderir o adesivo à pele e guiar o suor a fluir pelo sensor. Um pequeno mecanismo de interruptor foi incluído no patch, e a concentração do produto químico que está sendo medido será exibida instantaneamente no visor assim que o usuário pressionar o interruptor.
Visualização rápida em uma tela vestível
Para visualizar os dados dos sensores, os autores projetaram um tipo especial de display não emissor de luz chamado display eletrocrômico. A tecnologia de display eletrocrômico utiliza materiais que mudam de cor ao aplicar um pulso elétrico, que tem consumo de energia muito baixo.
"É uma tecnologia relativamente nova que você vê agora em janelas que mudam de cor em prédios e em alguns aviões. Mas o desafio é torná-la compatível com o formato macio e elástico no resto do patch", disse Yin. "Os displays eletrocrômicos típicos exigem painéis de vidro transparentes com um revestimento condutor, mas quebradiço, o que não funciona para o nosso dispositivo."
"Em vez disso, os pesquisadores se voltaram para um polímero especial chamado PEDOT:PSS, que é condutor e possui propriedades eletrocrômicas. O polímero muda de azul céu claro para azul marinho escuro ao aplicar uma voltagem negativa e volta ao aplicar uma voltagem positiva. Ao ajustar a formulação da tinta com PEDOT:PSS, podemos torná-la imprimível e elástica."
Os pesquisadores projetaram um painel de exibição composto por 10 pixels individuais, que é programado para exibir a concentração dos produtos químicos ativando diferentes números do pixel. Depois de otimizar a condição de operação da tela, cada pixel pode ser ligado e desligado reversivelmente ao longo de 10.000 ciclos, mais do que suficiente para sua operação de uma semana.
Os pixels levam apenas 500 ms para mudar de cor, durante o qual consomem em média 80 microwatts de energia. Como não requer energia para manter o resultado exibido, o monitor é muito eficiente em termos de energia para sua aplicação.
Próximos passos
Atualmente, o patch não é recarregável e funciona com um sensor de cada vez. A equipe pretende desenvolver uma versão mais avançada do sensor integrado, que permite que a bateria seja recarregável, podendo até mesmo colher energia do corpo, para prolongar a vida útil do patch vestível . Sensores multiplexados usados na pele - medindo simultaneamente vários biomarcadores - também podem ser adicionados ao sistema para fornecer uma visão abrangente do estado fisiológico do usuário.
"Este é um grande passo no desenvolvimento de eletrônicos vestíveis que são práticos e fáceis de usar, mas isso é apenas o começo", comentou Yin.
Fonte:https://techxplore.com/news/2022-10-standalone-sensor-readout.html
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