Pele de cobra inspira o desenvolvimento de sensores vestíveis com ampla sensibilidade à tensão

Muitas funções corporais em humanos são manifestadas por deformações mecânicas na pele – desde o alongamento, flexão e movimento dos músculos e articulações até a vibração de uma pulsação no pulso. Essas mudanças mecânicas podem ser detectadas e monitoradas medindo-se diferentes níveis de tensão em vários pontos do corpo.

Pelo Terasaki Institute for Biomedical Innovation publicado por Techxplore.

Crédito: Terasaki Institute for Biomedical Innovation

Nos últimos anos, muita atenção tem sido dada aos sensores vestíveis para medir essas tensões para uso no monitoramento da saúde pessoal. Alguns desses sensores podem detectar tensões de alto nível (40-100%), como aquelas associadas aos movimentos dos dedos e articulações dos membros, outros detectam tensões de nível médio (10-40%), como encontradas na deglutição e movimentos faciais e ainda outros são sensíveis a tensões de baixo nível (<1% -10%) observadas em pulsos de pulso e vibrações das cordas vocais.

Devido aos seus níveis mais altos de condutividade e estabilidade, um material altamente recomendado para esses tipos de sensores é o PEDOT: PSS, ou poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonato. Anteriormente, os sensores de deformação PEDOT: PSS muito sensíveis foram desenvolvidos para detectar a deformação em movimentos muito pequenos (<1%), mas a elasticidade inerentemente pobre dos filmes PEDOT: PSS resultam em níveis de deterioração de desempenho e função quando usados ​​para medir tensões maiores (> 20%). As tentativas de resolver este problema adicionando polímeros elásticos, ou elastômeros, resultaram em elasticidade aumentada, mas sensibilidade diminuída na detecção de pequenas deformações.

Uma equipe colaborativa do Terasaki Institute for Biomedical Innovation abordou esses desafios ao projetar um dispositivo de detecção de deformação vestível que pode detectar com eficácia uma ampla gama de deformações. Para maximizar a elasticidade desse sensor, os pesquisadores do TIBI se inspiraram em um exemplo encontrado na natureza. As cobras são bem conhecidas por terem a capacidade de se esticar várias vezes ao tamanho de seu corpo normal ao ingerir presas. Ao examinar mais de perto a pele da cobra, os pesquisadores observaram que a pele da cobra é coberta por escamas sobrepostas; quando a tensão é aplicada, essas escamas deslizam umas sobre as outras e são deslocadas em escamas separadas com pele intercalada entre elas. Isso confere elasticidade excepcional à pele.

Os pesquisadores usaram esse conceito de design na fabricação de seu sensor. Uma fina camada de PEDOT: PSS foi aplicada e cozida em uma fita de elastômero. Esta camada foi então esticada para um nível de deformação otimizado experimentalmente de 50%. Este processo resultou em fissuras e a formação de pedaços em microescala, ou “ilhas” na superfície da camada, com áreas intercaladas de PEDOT: PSS. Essas áreas expostas serviram como pontos de adesão para a aplicação de uma segunda camada fina de PEDOT: PSS. Depois de aplicada, a segunda camada foi esticada para um nível de 100% de deformação, resultando na criação de ilhas e áreas adicionais que se alinhavam naturalmente com as da primeira camada. Quando liberada do alongamento, uma estrutura foi criada com ilhas sobrepostas que imitavam a estrutura escamosa de uma cobra.

“O ponto-chave no desenvolvimento deste sensor é seu novo design estrutural”, disse o pesquisador-chefe Shiming Zhang, Ph.D. “Isso torna possível para nosso dispositivo medir uma ampla gama de níveis de tensão com um alto grau de sensibilidade.”



A bicamada PEDOT: PSS foi afixada sobre uma camada de hidrogel; o hidrogel macio e gelatinoso foi escolhido para esta camada inferior, pois iria repousar sobre a pele do sujeito e oferecer biocompatibilidade e conforto de uso. Fios de cobre e uma vedação de elastômero foram adicionados ao sensor e vários experimentos foram conduzidos para testar sua capacidade de detectar uma ampla gama de deformações.

Em testes de tensão de baixo alcance, as medições dos pulsos do punho foram feitas em repouso e após o exercício. Também foram realizadas medições do movimento da pele e dos tecidos do pescoço durante a vocalização e fonação. Para detectar tensões de nível médio , foram feitas medições dos movimentos das sobrancelhas e dos movimentos para cima e para baixo da laringe durante a deglutição. E em testes de tensão de alto nível, foram feitas medições de diferentes graus de flexão do cotovelo.

Os resultados dos experimentos mostraram que o sensor TIBI produziu sinais claramente definidos com uma faixa de sensibilidade de duas ordens de magnitude. Os sinais refletiram com precisão os graus e ângulos dos movimentos correspondentes que foram detectados. Além disso, o sensor demonstrou excelente condutividade, durabilidade e reprodutibilidade.

A versatilidade deste amplo sensor vestível pode ser aplicada a inúmeras necessidades biomédicas, como no monitoramento de funções cardíacas ou circulatórias, auxiliando indivíduos com dificuldades de vocalização ou deglutição, ou na reabilitação física e avaliação do desempenho atlético. Ele também pode ser usado em aplicações criativas, como melhorar a comunicação para quem trabalha em ambientes barulhentos ou no monitoramento de condições psicológicas associadas a expressões faciais.

“Os princípios de design estrutural demonstrados aqui são um verdadeiro avanço no monitoramento da saúde de vestíveis”, disse Ali Khademhosseini, Ph.D., Diretor e CEO da TIBI. “É um exemplo da criatividade e visão de futuro de nossos pesquisadores no desenvolvimento de dispositivos de detecção personalizados.”

Mais informações: Hao Liu et al, Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring, Matter (2021)  DOI: 10.1016 / j.matt.2021.06.034



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