Revolucionando Sensores Vestíveis: Manufatura Ultra-Rápida e Sem Agentes Ligantes com Impressão Eletrostática

Ying Zhong, Professora Assistente de Engenharia Mecânica na Universidade do Sul da Flórida, e sua equipe inventaram uma nova maneira de imprimir sensores vestíveis sem aglutinantes poliméricos. Eles chamam seu produto de e-skin.

Tech Briefs: O que deu a você a ideia de usar força eletrostática para imprimir sensores flexíveis?

Professora Ying Zhong: Tínhamos alguns colaboradores que fabricavam dispositivos flexíveis — imprimindo-os com serigrafia. Isso significa que você tem que misturar pós funcionais com aglutinantes, aquecê-los e esperar que sequem, o que leva muito tempo. Então, estávamos procurando maneiras de imprimir mais rapidamente, sem o aquecimento e secagem.

Eu estava trabalhando em outro projeto interessante: usar descarga corona para tratar a superfície de filmes poliméricos. Percebemos que a corona poderia gerar um tipo único de campo elétrico forte que poderíamos usar para levantar pequenos objetos. Isso nos fez pensar se seria possível colocar pós secos sob o filme para atrair os pós diretamente ao substrato — tentamos e funcionou.

Descobrimos um problema e percebemos que uma tecnologia em que já estávamos trabalhando poderia ser a solução.

Tech Briefs: Acho que é assim que o progresso muitas vezes acontece na tecnologia. Minha próxima pergunta é: uma vez que as partículas são atraídas para o substrato, como elas ficam presas lá?

Zhong: Como descrito em nosso artigo publicado, estamos usando fita médica de oito micrômetros de espessura, que tem um revestimento adesivo para segurar as partículas. É tão fina que quando você a adere à pele, não a sente.

Tech Briefs: Como você incorporaria diferentes tipos de sensores ao fabricar isso?

Zhong: Esta tecnologia de impressão é “universal” — pode imprimir diferentes tipos de materiais funcionais. Então, por exemplo, podemos usar grafeno ou nanotubos de carbono (CNTs), que mudam a resistividade para refletir a mudança na deformação. O mecanismo de funcionamento é que a deformação muda a distância entre as partículas, causando uma mudança na resistência que reflete a magnitude da deformação no sensor.

Também relatamos um sensor de temperatura baseado em pós termocrômicos em nosso artigo. Como disse, esta é uma tecnologia de impressão universal — você pode imprimir diferentes tipos de materiais funcionais. Agora estamos demonstrando que podemos imprimir tatuagens sensíveis à temperatura que mudam de cor quando a temperatura muda. Também estamos tentando imprimir materiais que podem ser sensíveis à umidade e diferentes tipos de gases como amônia, monóxido de carbono e outros.

Tech Briefs: Vocês pensaram em como isso poderia ser implementado comercialmente. Parece que vocês teriam que construir um tipo totalmente diferente de impressora 3D.

Zhong: Sim, estamos atualmente colaborando com a Jabil, Inc. para construir um sistema rolo-a-rolo, que pode permitir fabricar dispositivos em alta velocidade. Como não usamos aglutinantes, não temos que aplicar calor e depois esperar o material secar. Isso significa que usando este sistema rolo-a-rolo para imprimir — para gerar a força eletrostática — podemos fabricar dispositivos flexíveis e até estruturas 3D em uma taxa rápida e a baixo custo.

Tech Briefs: É difícil gerar e lidar com a alta tensão necessária para produzir corona?

Zhong: Embora precisemos de 20 a 30 quilovolts para gerar a corona, a corrente é muito baixa, menor que 0,1 mA — nosso equipamento de laboratório usa menos de 2 watts de potência — é muito eficiente energeticamente.

Tech Briefs: É um problema garantir que a alta tensão não cause danos?

Zhong: Bem, claro que você deve gerenciar o sistema e cobrir todas as áreas condutoras ao redor. Baseado em nossas observações, desde que você cubra o suporte do eletrodo com camadas isolantes, deve funcionar muito bem — não tivemos muitos problemas com isso.

Tech Briefs: Que tipo de material você usa para a cobertura?

Zhong: Por enquanto, em nosso laboratório estamos simplesmente usando fitas isolantes. No futuro, planejamos criar um revestimento de superfície melhor controlado ou suportes isolantes, que podem ser facilmente feitos. Podemos usar polímeros para realizar o revestimento, e impressoras 3D para fabricar o protótipo. Temos vários projetos relacionados a polímeros em meu laboratório, então isso deve ser fácil.

Tech Briefs: Vocês têm outras aplicações em mente além do sensor de deformação “e-skin”?

Zhong: Sim, por exemplo, estamos conversando com uma empresa sobre fazer tapetes inteligentes de detecção de deformação, o que se torna prático porque a nossa é uma tecnologia de manufatura de custo muito baixo e ultra-rápida que pode ser usada para imprimir produtos de grande área. A ideia é produzir tapete que possa identificar quantas pessoas estão em pé sobre ele. Você poderia então, por exemplo, ajustar o consumo de energia do sistema HVAC com base no número de ocupantes em uma sala.

Também estamos colaborando com um colega em uma aplicação para reabilitação física. Nosso colega trabalha com pessoas que têm dificuldade em controlar o comportamento de suas pernas. Como nosso sensor é ultra-fino, é muito confortável e você pode fazê-lo grande o suficiente para usar. Isso poderia ser usado para ajudá-los a identificar como podem melhor controlar o comportamento de suas pernas.

Existem muitas aplicações futuras possíveis. Por exemplo, você poderia anexá-lo à mão de um robô. Se você quiser que ele pegue algo, ele poderia sentir quanta pressão está sendo aplicada e quanta área está em contato.

Tech Briefs: Vocês têm uma estimativa aproximada de quando isso poderia estar pronto para uso comercial?

Zhong: Agora, estamos trabalhando com a Jabil para configurar um pequeno sistema rolo-a-rolo em nosso laboratório. Se funcionar bem, vamos configurá-lo na Jabil e ajudá-los a fabricar sensores em grandes quantidades ou tamanhos grandes. Isso pode levar de três a cinco anos, mas especialmente nestes dias, é difícil prever.

Uma versão editada desta entrevista apareceu na edição de janeiro de 2022 da Tech Briefs.