Sensores Montados na Pele Invisíveis e Ecológicos Inspirados em Seda de Aranha

Andrew Corselli

Sensores impressos em dedos humanos. (Imagem: Huang Lab, Cambridge)

Pesquisadores desenvolveram um método para fazer sensores adaptativos e ecológicos que podem ser impressos diretamente e imperceptivelmente em uma ampla gama de superfícies biológicas, seja um dedo ou uma pétala de flor.

O método, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Cambridge, inspira-se na seda de aranha, que pode se conformar e aderir a uma gama de superfícies. Estas "sedas de aranha" também incorporam bioeletrônica, para que diferentes capacidades de sensoriamento possam ser adicionadas à "teia".

"Um dos maiores desafios foi sair dos métodos de fabricação existentes e criar um mecanismo de fiação para produzir sensores de fibra," disse a Líder de Pesquisa e Professora Yan Yan Shery Huang ao Tech Briefs em uma entrevista exclusiva.

As fibras, pelo menos 50 vezes menores que um fio de cabelo humano, são tão leves que os pesquisadores as imprimiram diretamente na cabeça de sementes felpuda de um dente-de-leão sem colapsar sua estrutura. Quando impressas na pele humana, os sensores de fibra se conformam à pele e expõem os poros do suor, então o usuário não detecta sua presença. Testes das fibras impressas em um dedo humano sugerem que poderiam ser usadas como monitores de saúde contínuos.

"A ideia inicial foi meio inspirada pela combinação de peles eletrônicas e sedas de aranha," Huang adicionou.

Este método de baixo desperdício e baixa emissão para aumentar estruturas vivas poderia ser usado em uma gama de campos, desde saúde e realidade virtual até têxteis eletrônicos e monitoramento ambiental. Os resultados são relatados na Nature Electronics.

"Primeiro, uma solução aquosa consistindo de partículas condutoras, ácido hialurônico e um ligante polimérico é feita," Huang explicou do processo. "Esta solução é então alimentada em uma ponta de seringa, onde uma minúscula gota pendente é criada na ponta. Um braço rotativo então entra em contato com a gota pendente, que estica a gota em uma fibra sensora."

Embora a pele humana seja notavelmente sensível, aumentá-la com sensores eletrônicos poderia mudar fundamentalmente como interagimos com o mundo ao nosso redor. Por exemplo, sensores impressos diretamente na pele poderiam ser usados para monitoramento contínuo de saúde, para entender sensações da pele, ou poderiam melhorar a sensação de 'realidade' em jogos ou aplicações de realidade virtual.

Enquanto tecnologias vestíveis com sensores embutidos, como smartwatches, estão amplamente disponíveis, estes dispositivos podem ser desconfortáveis, intrusivos e podem inibir as sensações intrínsecas da pele.

Existem múltiplos métodos para fazer sensores vestíveis, mas todos têm desvantagens. Eletrônicos flexíveis, por exemplo, são normalmente impressos em filmes plásticos que não permitem passagem de gás ou umidade, então seria como embrulhar sua pele em filme plástico. Outros pesquisadores desenvolveram recentemente eletrônicos flexíveis que são permeáveis a gás, como peles artificiais, mas estes ainda interferem com sensação normal, e dependem de técnicas de fabricação intensivas em energia e desperdício.

Impressão 3D é outra rota potencial para bioeletrônica já que é menos desperdicosa que outros métodos de produção, mas leva a dispositivos mais grossos que podem interferir com comportamento normal. Fiação de fibras eletrônicas resulta em dispositivos imperceptíveis ao usuário, mas não têm alto grau de sensibilidade ou sofisticação, e são difíceis de transferir para o objeto em questão.

Agora, a equipe liderada por Cambridge desenvolveu uma nova maneira de fazer bioeletrônicos de alto desempenho que podem ser personalizados para uma ampla gama de superfícies biológicas, da ponta do dedo à cabeça de sementes felpuda de um dente-de-leão, imprimindo-os diretamente nessa superfície. Sua técnica inspira-se em parte em aranhas, que criam estruturas de teia sofisticadas e fortes adaptadas ao seu ambiente, usando material mínimo.

Os pesquisadores fiaram sua 'seda de aranha' bioeletrônica de PEDOT:PSS (um polímero condutor biocompatível), ácido hialurônico e óxido de polietileno. As fibras de alto desempenho foram produzidas a partir de uma solução à base de água à temperatura ambiente, o que permitiu aos pesquisadores controlar a 'fiaibilidade' das fibras. Os pesquisadores então projetaram uma abordagem de fiação orbital para permitir que as fibras se morfologem em superfícies vivas, até microestruturas como impressões digitais.

Testes das fibras bioeletrônicas, em superfícies incluindo dedos humanos e cabeças de sementes de dente-de-leão, mostraram que forneceram desempenho de sensor de alta qualidade enquanto eram imperceptíveis ao hospedeiro.

"O próximo passo imediato é estabelecer cenários baseados em aplicação, para determinar qual parte do sistema do sensor deve ser feita com fibras imperceptíveis, e o resto pode usar dispositivos microfabricados/e-têxteis existentes," Huang notou.