Mini revisão sobre eletrônicos flexíveis e vestíveis para monitorar informações de saúde humana

Resumo

O potencial de aplicação de eletrônicos vestíveis na área de saúde tem sido de grande interesse nas últimas décadas. Dispositivos flexíveis e usáveis baseados em materiais elásticos macios e adequados para a pele podem ser firmemente fixados à superfície da pele humana, de modo que uma série de informações vitais de saúde, como pulso de pulso, temperatura corporal e glicose no sangue possam ser extraídas e analisadas para ajudar o o paciente mantém a forma física. Aqui, descrevemos os tipos mais comuns de eletrônicos vestíveis para monitorar informações de saúde humana, incluindo sensores de força, sensores de temperatura, sensores bioquímicos fisiológicos e sensores multifuncionais. Seus princípios gerais de trabalho e inovações estruturais são revisados. Em seguida, discutimos dois módulos funcionais que tornam os sensores vestíveis mais aplicáveis na vida real - módulo com alimentação própria e módulo de processamento de sinal. Os desafios e direções de pesquisas futuras também são propostos para desenvolver eletrônicos vestíveis para monitorar informações de saúde humana.

Introdução

Desde a década de 1950, o surgimento da tecnologia de semicondutores à base de silício promoveu muito o desenvolvimento da indústria de tecnologia da informação, fazendo com que a vida das pessoas mudasse dramaticamente. No entanto, com a aceleração da informatização mundial e o desenvolvimento da Internet das Coisas (IoT), a eletrônica convencional à base de silício com alto módulo de Young está enfrentando novos desafios. Nas últimas décadas, os eletrônicos flexíveis e vestíveis têm atraído cada vez mais interesse e se tornado um tema quente no mundo da ciência. Em contraste com os dispositivos eletrônicos rígidos baseados em silício, os eletrônicos flexíveis exibem muitas características superiores exclusivas, como alta flexibilidade, peso ultraleve e conformalidade, que permitem que os eletrônicos flexíveis e vestíveis sejam usados em uma ampla gama de aplicações.

Em particular, tem havido um interesse crescente em dispositivos médicos flexíveis e vestíveis para monitoramento regular e contínuo de informações de saúde humana. Novos dispositivos estão sendo inventados para monitorar continuamente os sinais vitais da forma mais confortável possível. Esses dispositivos médicos eletrônicos vestíveis podem medir vários indicadores de saúde, como frequência cardíaca, pulso, temperatura corporal, glicose no sangue, etc. de forma não invasiva em tempo real, simplesmente conectando-os à superfície do corpo humano. O monitoramento em tempo real dos sinais vitais pode alertar os usuários e prestadores de cuidados de saúde para mais cuidados médicos quando os indicadores de saúde física de um indivíduo estão anormais, evitando a situação em que o melhor tempo de tratamento é perdido. Além disso, a eletrônica flexível pode ser deformada à vontade e detectar vários sinais com sensibilidade extremamente alta, portanto, pode ser usada em pele eletrônica artificial, detecção de movimento, telemedicina e assistência médica domiciliar. Não há dúvida de que a eletrônica flexível e vestível da próxima geração levará a uma revolução no modo de vida humano.

Esforços consideráveis foram dedicados à produção e desenvolvimento de eletrônicos vestíveis e avanços emocionantes foram feitos em novos materiais, novos processos e mecanismo de detecção durante os últimos anos. Conforme mostrado na Fig. 1, este artigo de revisão enfoca o desenvolvimento de eletrônicos vestíveis para monitorar informações de saúde humana, discutindo seus princípios gerais de trabalho citando alguns exemplos de sucesso. Na Seção 2, apresentamos os sensores de força para medir a micro-tensão da superfície corporal causada pela hemocinesia e atividade humana. Especialmente esses sensores microestruturados de pressão ou estresse têm ultra-alta sensibilidade e podem ser usados para detectar o pulso [1, 2], a voz [3] e o movimento humano [4]. Na Seção 3, os sensores de temperatura para detectar e mapear a temperatura da pele são revisados. Para sensores de temperatura, nos concentramos em algumas soluções para aumentar a extensibilidade e desacoplar a interferência de deformação dos efeitos da temperatura. Além dos sinais físicos, os sinais biológicos também são gerados pela atividade normal do corpo humano. Sensores bioquímicos fisiológicos para monitorar biomarcadores fisiológicos são descritos na Seção 4. Na Seção 5, descrevemos alguns sensores multifuncionais que integraram vários elementos sensíveis para realizar a detecção simultânea de sinais multicanais. A fim de realmente realizar a operação independente da eletrônica vestível, alguns módulos funcionais práticos, como componente autoalimentado e módulo de processamento de dados, são necessários, que são brevemente revisados na Seção 6. Finalmente, resumimos os desenvolvimentos de eletrônica flexível e vestível para monitoramento humano informações de saúde nos últimos anos e prospectar a perspectiva de eletrônicos flexíveis e vestíveis para monitoramento de informações de saúde humana.

Um resumo visual do desenvolvimento recente de eletrônicos vestíveis para monitorar informações de saúde humana

Sensores de força flexível

O sensor de força é um dispositivo de detecção que pode detectar os valores das forças mecânicas, como tensão, pressão, torque, estresse e deformação e convertê-los em sinais elétricos. Os vários estímulos físicos gerados pela atividade fisiológica regular do corpo humano contêm muitas informações importantes sobre a saúde, por exemplo, frequência cardíaca, movimento muscular, frequência respiratória e pressão arterial. A maioria dos sensores de força tradicionais são volumosos e pesados porque se baseiam principalmente em metais e materiais semicondutores, e não se aplicam a dispositivos eletrônicos vestíveis para monitorar sinais vitais do corpo humano devido à sua portabilidade e flexibilidade muito limitadas. Em comparação com os sensores de força tradicionais, os sensores de força flexíveis que usam substratos plásticos e elastoméricos têm uma série de vantagens, como melhor biocompatibilidade, elasticidade, transparência, vestibilidade e capacidade de detecção contínua. Discutiremos a seguir que os sensores de força flexíveis podem ser divididos em sensores de resistividade, sensores capacitivos e sensores piezoelétricos.

Sensores de força resistiva

Um sensor resistivo é um sensor que converte a mudança na resistência de materiais sensíveis causada por um estímulo externo em uma saída de sinal elétrico. Os materiais ativos dos sensores de força resistiva flexível são geralmente compostos de elastômero formados pela incorporação de cargas condutivas, como grafeno [5, 6], nanotubos de carbono (CNTs) [7,8,9,10, 11], filme fino metálico, nanofios, partículas [12,13,14] e polímeros condutores [15] em elastômeros (por exemplo, PDMS, PU, SEBS). A mudança de resistência do sensor é causada principalmente pelos seguintes três fatores:(1) mudanças na geometria dos elementos sensíveis [15], (2) a mudança da lacuna entre nanopartículas ou nanofios [5,6,7,8, 9,10, 13, 14], e (3) mudanças na resistência de contato entre diferentes camadas de materiais [12, 11]. Os sensores piezoresistivos têm recebido grande atenção devido ao seu baixo consumo de energia, processos de fabricação simples e ampla aplicação [16].

A utilização de substratos com superfície microestruturada oferece uma forma eficaz de fabricar sensores de força piezoresistivos de alta sensibilidade. Conforme mostrado na Fig. 2a, b, Choong et al. [15] relataram um sensor piezoresistivo flexível empregando matriz de micropiramida polidimetilsiloxano (PDMS) para aumentar a sensibilidade à pressão do sensor. Este trabalho comprovou que o uso de substrato de micropiramida pode maximizar a alteração da geometria do eletrodo condutor induzida por pressão ou alongamento, melhorando significativamente a sensibilidade (Fig. 2c). Como pode ser visto na Fig. 2d, o sensor tem uma boa resposta linear à pressão. Porém, a fabricação da estrutura da micropiramide foi baseada em molde de Si, que sofria de um processo de fabricação complicado e de alto custo [1, 3]. Wang et al. [1] usou um pedaço de lenço de seda delicado como molde para fabricar substrato de PDMS micro-padronizado. Em seu trabalho, um filme ultrafino de nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) autônomo foi transferido na superfície micro-padronizada e o sensor foi construído colocando duas camadas de SWCNTs / filmes PDMS face a face. O sensor com microestrutura de superfície preparada usando seda como molde para preparar demonstrou alta sensibilidade, tempo de resposta rápido, grande estabilidade, limite de detecção ultrabaixo e excelente desempenho de detecção em reconhecimento de voz e detecção de pulso em tempo real. Além disso, Su et al. [17] relataram um filme fino de PDMS com um padrão irregular de microdomínio usando folhas de mimosa. Wei et al. [18] produziram filmes de PDMS estruturados em micródomo usando substratos de vidro fosco. Esses esforços forneceram métodos simples e de baixo custo para fabricar substrato de filme fino de grande área com microestrutura e obtiveram bons resultados na melhoria da sensibilidade dos sensores piezoresistivos. Materiais flexíveis inerentemente microestruturados, por exemplo, papéis [4], têxteis [19], plantas e biomateriais derivados de plantas [20, 21], têm atraído uma ampla gama de interesses para serem usados como substrato. Tao et al. [4] relataram sensores de pressão baseados em grafeno / papel para detectar atividade humana. Eles misturaram o papel de seda com a solução de óxido de grafeno (GO) para obter um papel GO. Depois de aquecer no forno de secagem por várias horas, o papel GO foi reduzido para dar um composto condutor rGO / papel. A sensibilidade do sensor baseado em papel na faixa de pressão de 0–20 kPa varia com o número de camadas de papéis de seda. O sensor de oito camadas atinge uma sensibilidade máxima de 17,2 kPa ⁻¹ na faixa de 0–2 kPa. O sensor de pressão baseado em papel / grafeno demonstrou grande potencial no monitoramento de pulso de pulso, respiração, fala e estados de movimento. Além disso, Yang et al. [19] prepararam um sensor de deformação vestível reduzindo as folhas GO a folhas de grafeno termicamente em um substrato de tecido de poliéster. O substrato de tecido com estrutura entrelaçada rendeu ao sensor algumas características especiais de resposta, incluindo coeficiente de deformação de resistência negativa ultra-alto e sensibilidade de direção única. O sensor de deformação têxtil conforme preparado pode ser perfeitamente integrado com roupas para monitorar o movimento humano em tempo real, como pulso, movimento da boca, expressão facial e assim por diante.

a Processo de fabricação da matriz de micropiramida PDMS. b Esquema do princípio de detecção do sensor com estrutura de micropiramide sob força externa. c Sensibilidade aprimorada de sensores de pirâmide em comparação com sensores não estruturados. d Respostas de pressão linear de sensores de micropiramida quando alongados. Adaptado com permissão da ref. 10. Copyright 2014 John Wiley and Sons

Incorporar materiais condutores com estrutura porosa na matriz de elastômero para construir redes condutoras bidimensionais ou tridimensionais é outra abordagem para alcançar alta sensibilidade em sensores de força resistiva [7, 22, 23, 19, 24]. A deformação causada por forças externas irá alterar a densidade de distribuição espacial de materiais condutores e, assim, alterar a resistência do sensor. Conforme exibido na Fig. 3a, Wang et al. [7] produziram compósitos condutores de esfera oca combinando microcápsulas de pólen de girassol (SFP) com nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) e, em seguida, os adicionaram ao PDMS para preparar um filme composto MWCNT / PDMS. Um dispositivo E-skin foi fabricado ensanduichando este filme composto MWCNT / PDMS entre dois eletrodos condutores. Conforme mostrado na Fig. 3b-d, em comparação com o sensor planar, esta arquitetura de esfera oca introduzida por microcápsulas à base de pólen habilitou o sensor a mostrar maior sensibilidade, tempo de relaxamento mais rápido e estabilidade muito alta. O sensor pode detectar simultaneamente pressão e tensão dinamicamente quando conectado a um dedo humano ou garganta humana. Li et al. [23] introduziram um método simples para construir redes condutoras porosas convertendo papel de seda em papel carbono (CP) por meio de um processo de pirólise de alta temperatura. A Figura 3e é a imagem SEM do papel carbono. Um sensor de deformação altamente sensível composto de papel carbono e resina PDMS foi fabricado com sucesso por meio de um processo simples de infusão a vácuo. A estrutura porosa tornou o sensor ultra-alta sensibilidade à deformação aplicada, quase uma ordem de magnitude maior do que a do sensor metálico tradicional. Conforme mostrado na Fig. 3f, 3, o sensor CP / PDMS demonstra o monitoramento da respiração de um adulto e do gesto de uma mão humana por meio da integração com um cinto e uma luva, respectivamente. Lee et al. [22] fabricou nanofibras sensíveis à pressão com estrutura porosa usando o processo de eletrofiação. O nanomaterial condutor (CNTs e grafeno) foi disperso uniformemente dentro das nanofibras para melhorar a capacidade de detecção. Por conta da estrutura nanoporosa, o sensor de pressão do tipo resistivo fabricado com o uso dessas nanofibras compostas exibiu uma alta sensibilidade para deformação induzida por pressão e excelente conformabilidade a estruturas tridimensionais.

a Esquema do mecanismo do sensor com estrutura de esfera oca induzida por microcápsulas de pólen de girassol sob pressão. b Resposta transitória de filme composto baseado em SFP (CF) e CF planar sob pressão de 600Pa. c Tempo de relaxamento dos dois sensores relacionados. d Teste de estabilidade de CF baseado em SFP a 80 Pa. Adaptado com permissão da ref. 3. Copyright 2017 Elsevier. e A imagem SEM do papel carbono convertido. f , g Monitorando a respiração ( f ) e gesto ( g ) de um adulto pelo sensor CP / PDMS. Adaptado com permissão da ref. 63. Copyright 2017 American Chemical Society

Sensores de força capacitivos

Sensores capacitivos podem responder indicando mudanças nas forças externas por meio de mudanças na capacitância. Um capacitor geralmente consiste em uma camada dielétrica ensanduichada por duas placas condutoras. A fórmula usada para calcular a capacitância é \ (C =\ frac {\ varepsilon_0 {\ varepsilon} _rA} {d} \), onde ε ₀ é a permissividade do vácuo, ε _r é a permissividade relativa do dielétrico, A é a área de sobreposição efetiva das duas placas condutoras, e d é o espaçamento entre as duas placas condutoras. Os eletrodos de sensores de força capacitivos flexíveis geralmente usam CNTs [25], nanofios de Ag [26, 3] e materiais iônicos condutores [27]. Materiais elásticos de baixo módulo, incluindo PDMS, SEBS e Ecoflex, são bons candidatos para camada dielétrica.

A capacidade de detecção de sensores capacitivos pode ser significativamente aumentada por eletrodos de microestruturação ou camadas dielétricas [3, 2, 28]. Conforme mostrado na Fig. 4a-d, Quan et al. [3] usaram o vidro de superfície fosco como gabaritos para preparar filmes PDMS microestruturados como substratos de eletrodo para sensores capacitivos flexíveis. Eles compararam sensores com eletrodos microestruturados com aqueles sem um. Os resultados na Fig. 4e – g demonstraram que os sensores com microestrutura exibem maior sensibilidade, limites de detecção mais baixos e um tempo de resposta mais rápido. Kang et al. [28] desenvolveram um sensor de pressão capacitiva de alto desempenho com base em uma camada dielétrica porosa semelhante a uma esponja. A estrutura porosa esponjosa foi obtida revestindo PDMS em um substrato de silício empilhado com microesferas de polímero, seguido pela dissolução das microesferas de polímero. O filme PDMS poroso foi então transferido para um eletrodo de filme fino ITO, dando origem a um sensor capacitivo com ultra-alta sensibilidade e alta estabilidade. A sensibilidade dos sensores de pressão PDMS porosos é mais de oito vezes maior do que a dos sensores baseados em filmes PDMS nus. A razão para o melhor desempenho do sensor capacitivo microestruturado pode ser atribuída aos dois pontos a seguir. Por um lado, a estruturação do substrato do eletrodo de elastômero ou da camada dielétrica melhora a compressibilidade do dispositivo. Por outro lado, as microarquitetura adicionam vazios de ar entre as placas condutoras do capacitor de forma ordenada, o que torna a permissividade variável sob pressão. Quando uma força externa é aplicada ao sensor para causar deformação, o volume total de vazios de ar na camada dielétrica diminui e a permissividade da camada dielétrica híbrida de ar / elastômero aumenta, de modo que o aumento no valor de capacitância de sensores capacitivos causado por dois fatores:a redução do espaçamento das placas e o aumento da permissividade. Além disso, Pang et al. [2] desenvolveu um sensor de pressão altamente sensível com uma camada dielétrica PDMS em forma piramidal e uma interface estruturada em micro-fios, conforme mostrado nas Fig. 5a, b. A Figura 5c-f comparou os resultados do teste da artéria radial por quatro sensores com geometria de interface diferente, que revelou que a interface microhairy pode obviamente aumentar a relação sinal-ruído dos sensores de pressão capacitivos.

a - d Imagem SEM da vista superior ( a ) e vista lateral ( b ) de filme PDMS não estruturado, imagem SEM da vista superior ( c ) e vista lateral ( d ) de filme PDMS microestruturado. e Comparação das respostas relativas dos sensores com diferentes estruturas. f Teste de sensibilidade dos dois sensores estruturados. g A resposta dos dois sensores estruturados sob pressão de 1 Pa. Adaptado com permissão da ref. 18. Copyright 2017 Elsevier

a Diagrama esquemático do sensor estruturado em micro-fios. b Imagem SEM da estrutura do micro pelo com diferentes proporções de aspecto. c - f Teste da artéria radial usando quatro dispositivos com diferentes geometrias de interface: c superfície plana, estrutura micro-cabeluda com relações de aspecto de d 3, e 6 e f 10

Para melhorar a sensibilidade, a integração com transistor de efeito de campo orgânico (OFET) também é um projeto amplamente estudado para sensores capacitivos. Em dispositivos OFET, a corrente fonte-dreno é diretamente dependente da capacitância dielétrica da porta. Schwartz et al. [29] relataram dispositivos OFET E-skin altamente sensíveis usando filme PDMS microestruturado como a camada dielétrica e um novo polímero conjugado, poliisoindigobitiofeno-siloxano (PiI2T-Si) [30] como o semicondutor. O dispositivo OFET integrando um dielétrico PDMS microestruturado alcançou sensibilidade ultra-alta (8,4 kPa ^- 1) no regime de baixa pressão <8 kPa, bem como tempo de resposta rápido (<10 ms). Essas capacidades superiores demonstraram que tal dispositivo é promissor em medições de alta fidelidade da onda de pulso do pulso.

Em comparação com os sensores resistivos, os sensores capacitivos geralmente têm maior sensibilidade e limites de detecção mais baixos. No entanto, sua resposta de linearidade pobre e suscetibilidade à capacitância parasita e capacitância de franja podem ser desafios em aplicações práticas.

Sensores de força piezoelétricos

O efeito piezoelétrico refere-se ao fenômeno em que o estímulo mecânico deforma alguns materiais cristalinos anisotrópicos e causa a polarização de dipolos internos, levando a diferenças de potencial existentes entre as duas superfícies opostas dos cristais. Devido às características únicas dos materiais piezoelétricos, os sensores piezoelétricos com tempo de resposta rápido são capazes de medir sinais dinâmicos de alta frequência de forma eficiente e são bastante promissores para dispositivos autoalimentados.

Materiais piezoelétricos comumente usados em sensores flexíveis incluem P (VDF-TrFE) [31, 32], ZnO [33], PbTiO3 [34] e PZT [35, 36] etc. P (VDF-TrFE) é um dos mais materiais favoritos para sensores piezoelétricos flexíveis devido à sua flexibilidade, processo de fabricação simples, estabilidade notável e grande coeficiente piezoelétrico. Persano et al. [31] relataram um sensor piezoelétrico flexível baseado em matrizes de fibras P alinhadas (VDF-TrFE) preparadas por eletrofiação. Este sensor de pressão simples exibe excelente desempenho de detecção, mesmo no regime de pressão extremamente pequeno (cerca de 0,1 Pa). Os resultados sugeriram um potencial de aplicação extraordinário em detecção de movimento humano e eletrônica robótica. Embora os materiais inorgânicos tenham pouca flexibilidade, muitos materiais inorgânicos em nanoescala e nanocompósitos de cerâmica de polímero (como ZnO NWs [33], nanofitas de PZT [35] e nanofolhas [36] e P (VDF-TrFE) / BaTiO ₃ nanocompósito [4]) pode exibir um certo grau de flexibilidade. Shin et al. [33] empregaram ZnO NWs dopado com lítio (Li) compactado em PDMS como elemento de detecção. A tensão de saída piezoelétrica dos compósitos ZnO NW – PDMS dopados com lítio era uma função da força aplicada e da frequência. Os dispositivos fabricados foram capazes de fornecer informações instantâneas dos movimentos humanos, o que é de grande importância para a aplicação de dispositivos eletrônicos da pele no monitoramento da atividade humana. Os sensores piezoelétricos são particularmente úteis para a detecção de estímulos físicos dinâmicos, mas não funcionam bem na medição de sinais estáticos. Isso ocorre porque o sinal de tensão gerado por materiais piezoelétricos só aparecerá no momento em que a pressão é aplicada ou retirada. Para resolver esse problema, Chen et al. [34] relatou um sensor de pressão piezoelétrico flexível para medição estática com base em PbTiO ₃ nanofios (PTNWs) / heteroestrutura de grafeno. Neste dispositivo, as cargas de polarização induzidas pela cepa em PTNWs agiam como impurezas carregadas no grafeno e afetavam sua mobilidade de portadores. O mecanismo de trabalho é que as cargas de polarização em PTNWs aumentaram o espalhamento de portadores no grafeno, resultando em mobilidade de portadores diminuída. Com base no mecanismo acima mencionado, conforme mostrado na Fig. 6, este sensor de heteroestrutura possuía maior sensibilidade do que os sensores de pressão de grafeno cultivado por CVD intrínseco [37, 38] e era capaz de medir sinais mecânicos estáticos.

Resposta de pressão do sensor de pressão baseado em PTNW (esquerda) e de um transistor de PTNWs / grafeno sob um pulso de pressão. Adaptado com permissão da ref. 25. Copyright 2017 American Chemical Society

Sensores de temperatura flexíveis

A detecção de temperatura é uma parte importante dos dispositivos de detecção. A temperatura corporal pode refletir a condição física das pessoas em um grande conteúdo. A temperatura central do corpo de pessoas saudáveis é relativamente constante, geralmente entre 36,2 ~ 37,2 ° C. É independente do ambiente, enquanto a temperatura do invólucro pode ser afetada pelas condições físicas e pela temperatura ambiente. Mudanças anormais na temperatura corporal geralmente indicam problemas de saúde. Por exemplo, um aumento da temperatura corporal é o sintoma de febre ou infecção, enquanto uma queda da temperatura corporal provavelmente significa anemia. Para detecção de temperatura em tempo real em dispositivos E-skin, muitos tipos de sensores de temperatura flexíveis foram desenvolvidos.

Sensores de temperatura resistivos

A detecção de temperatura por meio de mudanças na resistência de materiais sensíveis é o método mais comumente usado para medição de temperatura em dispositivos eletrônicos semelhantes à pele. O coeficiente de resistência de temperatura (TCR) é um indicador importante da sensibilidade dos sensores de temperatura resistivos. É definido como a variação relativa da resistência quando a temperatura muda em 1 ° C. Vários sensores de temperatura resistivos foram relatados usando elementos de metal puro (Pt, Au, Cu) [39,40,41,42], partículas de óxido de metal [43], nanotubos de carbono (CNT), compósitos de polímero [8, 9] e grafeno [44, 45] como materiais sensíveis.

Os metais têm sido usados para detecção de temperatura por um longo tempo devido à sua sensibilidade à temperatura. O mecanismo de detecção pode ser explicado pelo fato de que a elevação da temperatura aumenta a vibração térmica da rede, resultando em espalhamento intensificado da onda de elétrons, aumentando assim a resistividade. Sensores de temperatura baseados em metal tradicionais fornecem elasticidade ou dobrabilidade limitada. A engenharia de estrutura, como flambagem de rugas, estrutura semelhante a uma ferradura em linha e projeto de ilha rígida [39, 41, 46], foi certificada como uma forma eficaz de superar as limitações. Conforme exibido na Fig. 7a, b, Yu et al. [39] desenvolveram um sensor de temperatura extensível baseado em elementos sensores de filme fino corrugado em substrato elástico. O sensor foi fabricado por deposição por pulverização catódica de um filme fino de Cr / Au (5 nm / 20 nm) em um substrato flexível pré-esticado a 30%. Conforme mostrado na Fig. 7c, d, a geometria ondulada periódica formada pela liberação de pré-tensão permite que o dispositivo estique até 30% da deformação mecânica com desempenho inalterado. Webb et al. [41] relataram uma matriz de sensor de temperatura semelhante à pele, ultrafino e compatível, usando um filme fino (50 nm), estreito (20 μm) de ouro em forma de serpentina, preparado por técnicas microlitográficas. Quando implementados com técnicas avançadas de modelagem e análise, os sistemas eletrônicos extensíveis eram capazes de mapeamento não invasivo da temperatura da casca com precisão de milikelvin.

a Esquemático dos sensores extensíveis com padrões ondulados periodicamente. b SEM do sensor de temperatura extensível. c Mudanças no valor de resistência do sensor quando a deformação do sensor é continuamente esticada de 2,25 a 30%. d A relação entre resistência e temperatura de um sensor extensível com deformações de 0%, 5% e 10%. Adaptado com permissão da ref. 29. Copyright 2009 AIP Publishing

Os trabalhos mencionados acima melhoraram efetivamente a flexibilidade dos sensores de temperatura baseados em metal, mas os métodos de engenharia de estrutura usados nesses dispositivos limitaram a elasticidade em 25-30%. Para quebrar ainda mais o limite de tração dos sensores de temperatura flexíveis, é necessário o uso de materiais inerentemente elásticos. Harada e colaboradores [8, 9] introduziram sensores de temperatura flexíveis baseados em poli (3,4-etilenodioxitiofeno) -poli (estireno sulfonato) (PEDOT:PSS) Filme composto -CNT preparado por um processo de impressão. A sensibilidade do sensor de temperatura misto PEDOT:PSS-CNT é de 0,25 a 0,63% / ° C em diferentes proporções compostas da pasta CNT e solução PEDOT:PSS, que é melhor do que os sensores de temperatura baseados em metal [39,40,41, 42]. Conforme mostrado na Fig. 8a, b, Yan et al. [45] desenvolveram um termistor elástico à base de grafeno usando um método de filtração litográfica para preparar o canal de detecção de grafeno com estrutura microporosa. O dispositivo indica alta elasticidade intrínseca de até 50% e seu TCR pode ser efetivamente ajustado por deformação mecânica, conforme mostrado na Fig. 8c, d. No entanto, a dependência de tensão não é ideal para detecção vestível porque esticar ou torcer o sensor pode alterar a resistência do termistor. No caso de deformação do sensor, não é possível ler os valores de deformação e temperatura a partir de um único sinal numérico. Ainda é um desafio evitar a influência dos efeitos de deformação no sensor de temperatura em termistores preparados com materiais inerentemente elásticos. A fim de obter alta elasticidade e adaptabilidade à deformação simultaneamente, Zhu et al. [47] relataram um sensor de temperatura baseado em transistores CNT com capacidade de supressão de deformação projetando circuitos diferenciais (o diagrama de circuito foi mostrado na Fig. 8e, f). Um único transistor de película fina extensível com SWCNTs supramoleculares classificados com polímero padronizado como o canal semicondutor foi fabricado como um dispositivo de detecção de temperatura. Redes SWCNT densas não classificadas e um filme fino SEBS não polar foram usados como eletrodos fonte-dreno e porta e dielétrico de porta, respectivamente. O principal mecanismo pode ser atribuído à dependência da temperatura do transporte de carga na rede semicondutora SWCNT [48]. A mudança de tensão de limiar induzida por deformação foi anulada pelo emprego da configuração do circuito diferencial estático, conforme mostrado na Fig. 8g, h. A tensão de saída diferencial (V _OD ) podem, portanto, ser suprimidos, desde que correspondam entre os dois ramos.

a Diagrama esquemático do extensível dos termistores de grafeno. b Imagem do termistor de grafeno a 0% e 50% de deformação. c Variação da resistência com a temperatura. d Variação da resistência com temperatura entre deformações de 0–50%. Adaptado com permissão da ref. 35. Copyright 2015 American Chemical Society. e Micrografia óptica de um circuito de detecção de temperatura extensível que consiste em cinco TFTs. f Circuito esquemático da abordagem de detecção diferencial estática. g Desempenho de detecção de temperatura de um único TFT. h Desempenho de detecção de temperatura de um dispositivo de detecção de circuito diferencial estático extensível. Adaptado com permissão da ref. 39. Copyright 2018 Springer Nature

É importante mencionar que tal dispositivo de estrutura TFT foi comprovado por outros pesquisadores para melhorar significativamente a sensibilidade dos sensores de temperatura. Trung et al. [44] fabricou sensores de temperatura resistivos e bloqueados elásticos para eletrônicos vestíveis e comparou as diferenças de desempenho entre os dois tipos de sensores. The temperature sensing layer was a composite conductive material formed by inserting temperature-responsive R-GO nanosheets into an elastomeric PU matrix. According to their test results, gated devices achieved higher temperature sensitivity (1.34% per °C) than resistive devices (0.9% per °C).

Pyroelectric Temperature Sensors

A variation of temperature will change the remnant polarization of pyroelectric materials thus generating opposite bound charges on both surfaces of the crystal. Materials that have been found to exhibit pyroelectricity include different ceramics (PZT, LiTaO₃ , LiNbO₃ ) and polymer (PVDF, P(VDF-TrFE)) [49,50,51,52,53]. A lot of pyroelectric devices have been fabricated on rigid substrate and widely used in missile detection, fire alarm, and other fields. Nevertheless, flexible pyroelectric devices still need to be explored. In particular, P(VDF-TrFE) is ideal for temperature sensing applications in flexible electronics. Tien et al. [51] directly used a highly crystalline β-phase P(VDF-TrFE) material with extremely large remnant polarization as gate insulator in an OTFT structure for temperature sensing. The remnant polarization inside the P(VDF-TrFE) can change with temperature, causing a change in the density the holes accumulated at the interface between the semiconductor channel and P(VDF-TrFE). Therefore, the source-drain current increases as the increase of temperature. The linear response of the device in a certain temperature range and its simple fabrication process suggest its potential application in flexible temperature sensors. However, for (P(VDF-TrFE)), the pyroelectric effect is indistinguishable from the piezoelectric effect, which means that mechanical deformation will interfere with temperature detection. To decouple strain-induced interference from temperature effect, Tien et al. [54] developed flexible pyroelectric OFET devices with piezo- and pyroelectric nanocomposite gate dielectrics formed by a mixture of (P(VDF-TrFE)) and BaTiO₃ nanoparticles as well as piezo- and thermoresistive organic semiconductor channel(pentacene). The fabricated devices can extract effects from the target sensing signals successfully while the flexible sensor is under multiple stimuli because the two chosen materials were able to respond to strain and temperature in a disproportionate manner simultaneously. This approach is able to distinguish the temperature effects from strain for flexible pyroelectric sensors.

Flexible Physiological Biochemical Sensors

In order to understand all aspects of human health, various physiological biochemical sensors have been developed for analysis of vital biochemical signs, such as blood glucose [55, 56, 57, 58] and body fluids (sweat, interstitial fluids, saliva, and tears) [59, 60, 61]. Flexible biochemical sensors typically adopt chemical methods to detect the composition and amount of a biological substance. The chemical reaction between the sensing material and the target detection substance changes the electrical properties of the sensor, therefore the physiological health information can be obtained by analyzing the electrical parameters of the sensor.

Continuous measurement of glucose is vital to maintain the health and quality of life of diabetics. Commercially available products for glucose detection are performed by invasive lancet approaches that requires sampling the patient’s blood, leading to pain to the patient. New electronics fabrication techniques on flexible substrates have been developed to enable noninvasive wearable glucose monitoring. Chen et al. [55] developed a skin-like biosensor for noninvasive blood glucose monitoring via electrochemical channels. The detection mechanism and structure of this sensor are shown in Fig. 9a, b. A paper battery was attached to the skin to produce subcutaneous electrochemical twin channels (ETCs), through which more intravascular blood glucose was expelled from the blood vessel and transported to the skin surface. The outward-transported glucose thus can be measured easily by a glucose oxidase (GOx) immobilization layer. The experimental test results are shown in Fig. 9c, d. As can be seen from the figure, the monitoring results of the biosensor are in good agreement with the results of the commercial glucometer. Besides glucose monitoring, sweat analysis can be important in facilitating insight into an individual’s heath state. For example, sweat glucose is metabolically related to blood glucose and low electrolyte levels in sweat may be a sign of dehydration. Gao et al. [61] presented a highly integrated wearable sensing system for multiplexed in situ sweat analysis. As shown in Fig. 9e, f, the sensing system composed of four different sensing elements for simultaneous and selective screening of a panel of biomarkers in sweat—sodium (Na+), potassium (K+), sweat glucose, and sweat lactate. They also exploited a flexible printed circuit board (FPCB) to realize the conditioning, processing, and wireless transmission of critical signals. According to the test results in Fig. 9, it can be seen that the wearable system can be used to measure the detailed sweat characteristics of a human subject and to evaluate the physiological state of the object in real time.

a Schematic of the ETCs (left) and the biosensor multilayers (right). b A biosensor attached to skin surface for glucose monitoring. c Results of glucose monitoring in one day by a glucometer and a biosensor. d Results of glucose monitoring in 5 days by a glucometer and a biosensor. Adapted with permission from ref. 48. Copyright 2017 American Association for the Advancement of Science. e Schematic of the sensor system for multiplexed sweat analysis. f Photograph of a flexible integrated sensing device. g The result of sweat analysis by wearing the sensor on the forehead of the subject. h The result of sweat analysis by wearing the sensor on the forehead of another subject. Adapted with permission from ref. 54. Copyright 2016 Springer Nature

Multifunctional Sensors

Integrating multifunctional sensing components into one device is an important advance in wearable electronics. Future wearable electronics should enable to integrate the function of detecting multiple signals such as strain, pressure, temperature, humidity, gas [8, 9, 62, 63], and so on into a single device to provide more comprehensive human health and environmental information. Laminating multiple layers of thin film e-skin device with different sensing functions together is the major method to prepare multifunctional sensors. Harada et al. [8] fabricated a triaxial tactile sensor and temperature sensor array to simultaneously detect the tactile forces, slip forces, and temperature by using a printing manufacturing technique. Four strain sensors printed by a screen printer were designed with a PDMS fingerprint for a pixel, as shown in Fig. 10a, b. Three-axis force directions can be detected by characterizing the strain distribution at the four integrated force sensors with a finite element method (FEM). Figure 10c shows the measurement results of the multifunctional sensor when touching a fingerprint-like structure with a human finger. The integrated strain/temperature sensing array for e-skin application show good performance in imitating human skin. Ho et al. [62] developed a multimodal all graphene e-skin sensor matrix. Three different sensors—humidity, thermal, and pressure sensors—were included in this matrix. Sprayed graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) were used as active sensing materials for the humidity and temperature sensors, respectively. Whereas the top PDMS substrate sandwiched between two CVD-graphene electrodes acted as the capacitive strain sensor, as displayed in Fig. 10d, e. The three sensors were integrated into a single unit through a simple lamination process. As can be seen from the test results in Fig. 10f–h, each sensor is sensitive to its associated external stimulus, but not affected by the other two stimuli. These results indicate that the E-skin device offers unique opportunities for healthcare applications in the future.

a Schematic for the structure of multilayer sensor. b Picture of a 3 × 3 sensor array. c schematic and measurement results of the multifunctional sensor when touching a fingerprint-like structure with a human finger. Adapted with permission from ref. 4. Copyright 2014 American Chemical Society. d Schematic diagram of the multimodal e-skin sensor. e Circuit diagram of the sensor matrix. f Performance of the humidity sensor based on GO. g Performance of the temperature sensor based on rGO. h Performance of the pressure sensor based on PDMS. Adapted with permission from ref. 55. Copyright 2016 John Wiley and Sons

Functional Modules of Wearable Electronics

In order to develop highly integrated wearable system for applications in health monitoring, physical state assessment, and telemedicine, researchers have tried various manufacturing processes and device structures to combine different functions together. Self-powered modules working continuously without external power sources should be an integral part of future wearable electronics. In addition, for real-life application of wearable electronics in monitoring critical health information, a wireless digital system for processing and transmitting signals over long distances is necessary.

To realize independent operation of wearable sensors, nanogenerators based on piezoelectric, pyroelectric, and triboelectric effects have been developed to incorporate into wearable systems [64,65,66,67]. Nanogenerators are able to harvest mechanical energy or thermal energy from human activities to power wearable devices. Zi et al. [64] developed a tribo-, pyro-, and piezoelectric hybrid cell that is composed of a sliding mode triboelectric nanogenerator (TENG) and a pyroelectric-piezoelectric nanogenerator (PPENG) for self-powered sensing. The structure and working principle of the hybrid cell are shown in Fig. 11a–d. The TENG, fabricated with a piece of aluminum foil as the sliding layer and a piece of polytetrafluoroethylene (PTFE) film deposited on Cu electrode as the static layer, is able to harvest the sliding mechanical energy. The PPENG was fabricated by depositing a piece of PVDF with Cu electrodes on both sides to harvest the thermal energy generated by friction and the mechanical energy generated by the normal force. As can be seen from Fig. 11e–j, the hybrid cell is demonstrated as an efficient power source that can drive the LED with extended lighting time, and a versatile self-powered sensor for detecting both the subtle temperature alteration and strain on the surface of human skin. Nevertheless, the rapid development of flexible electronics places higher demands on corresponding power devices, which should be comparably flexible or stretchable. Pu et al. [65] reported a soft skin-like triboelectric nanogenerator that achieves ultrahigh stretchability (maximum stretch up to 12.6 or strain of 1160%) and high degree of transparency (96.2%) by using PDMS or LED as the elastomer electrification layer and PAAm-LiCl hydrogel as the electrode. This skin-like generator is capable of outputting an open circuit voltage of up to 145 V and an instantaneous power density of 35 mW m⁻² through harvesting biomechanical energy. Meanwhile, the TENG-based electronic skin can serve as a tactile sensor to sense pressure and achieved a sensitivity of 0.013 kPa⁻¹ . The development of self-powered, wearable platforms has opened up opportunities for many potential applications including soft robots, smart artificial e-skins, wearable electronics, etc. However, there are still limitations of flexible energy harvesting devices because the power generation of nanogenerators that have been reported so far cannot meet the needs of practical applications.

a - d The structure and working principle of the tribo-, pyro-, and piezoelectric hybrid cell. e The circuit that hybridizes TENG and PPENG outputs. f The LED was lighted by the hybridized output current. g The schematic diagram of the structure used to demonstrate the temperature sensing. h The voltage and the temperature variation of the PPENG. eu The schematic diagram of the measurement setup. j A force of approximately 0.5 N applied to the surface. Adapted with permission from ref. 56. Copyright 2015 John Wiley and Sons

The integration of flexible sensors with information processing system is the next frontier for wearable electronics. Current research on flexible electronics mainly focused on the fabrication and optimization of sensing elements, while the research on flexible electronic circuits for information processing is relatively limited. The delivery and processing of human health information collected by the sensor still needs to be done by a computer. Wireless transmission of sensor data that has been reported so far is principally realized by combining a flexible sensor with a rigid silicon-based digital circuit technology. Pang et al. [2] built a custom wireless measurement system based on an XBee Series 2 radio module integrating to a programmed Arduino microcontroller. This system allows the sensor data to be wirelessly transmitted to a computer but is relatively bulky and not portable. Gao et al. [61] devise a multiplexed sensing system that integrated the functions of signal conditioning, processing, and wireless transmission by merging commercially available technologies of consolidating integrated circuits on a flexible printed circuit board (FPCB), with flexible sensor technologies fabricated on elastic substrates. The introduction of FPCB technology bridges the technological gap between signal conditioning, processing, and wireless transmission in wearable sensors to some extent, but the flexibility and comfort of the system still do not meet the requirement of next-generation wearable electronics. Realizing skin electronics rely on the development of intrinsically stretchable circuits [68].

Conclusions and Outlook

In past several years, the rapid development of wearable electronics attracts extensive attention. Researchers have made many fruitful attempts and achieved good results in developing wearable electronics with high sensitivity, flexibility, and stability. This review analyzed recent research strategy and advancements in wearable electronics for human health detection from the aspects of force sensors, temperature sensors, physiological biochemical sensors, multi-functional sensor, and other functional modules applied in flexible electronics. The successful fabrication of flexible sensing devices with high sensitivity, low-cost, portability, and long-term stability indicates that flexible and wearable electronics will definitely become the mainstream in the field of medical care in the future. However, there are certain challenges remaining for practical applications of current wearable sensors in real life.

1.
Wearable electronic devices should be able to clearly identify the deformations caused by pulse, muscle movements, and external contact. While most of the flexible force sensors that have been reported so far cannot accurately identify the source and direction of external forces.
2.
In terms of temperature sensors, it is still difficult to achieve high stretchability, sensitivity, and strain adaptability simultaneously. Improving the sensing performance and eliminating the influence of the elastic deformation of the sensor on temperature detection remain important research topics.
3.
The detection accuracy of flexible physiological biochemical sensors is insufficient compared to traditional medical devices. Besides, most of the valuable physiological health information needs to be extracted from internal secretions. More biophilic implantable materials should be taken into consideration for the development of biochemical sensors to extract information from blood and muscles.
4.
Multifunctional sensors should be able to simultaneously detect pressure, stress, temperature, and other different signals such as humidity and gas atmosphere and avoid crosstalk between them. The realization of multifunctional sensors requires further development of new materials, nanotechnology, and device structure design.
5.
Processing the data in situ and transmitting them in real time are also essential parts of future wearable electronics. It is quite challenging to integrate multiple functional modules into a complete wearable system so that it can fully meet the requirements of practical applications.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

Abreviações

Au:: Aurum
Cu:: Cuprum
CVD:: Deposição de vapor químico
LED:: Diodo emissor de luz
NW:: Nanowire
OFET:: Organic field-effect transistor
P(VDF-TrFE):: Poly(vinylidenefluoride-tirfluoroethylene)
PAAm:: Polyacrylamide
PbTiO₃ :: Lead titanate
PDMS:: Polidimetilsiloxano
Pt:: Platinum
PU:: Poliuretano
PZT:: Titanato de zirconato de chumbo
SEBS:: Styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer
VHB:: Very high bond
ZnO:: Óxido de zinco

Síntese de Nanocages de Ni Cúbico (OH) 2 através da Coordenação de Etching e Precipitação de Rota para Supercapacitores de Alto Desempenho Uma expressão desenvolvida de potencial químico para deformação rápida em eletrodos de nanopartículas de baterias de íon-lítio

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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