A “Pele Inteligente” Eletrônica à Prova de Suor Mede com Precisão os Sinais Vitais, mesmo Durante os Treinos

Os engenheiros e cientistas do MIT na Coréia do Sul desenvolveram uma capa eletrônica à prova de suor – um adesivo aderente integrado por sensor que monitora a saúde de um indivíduo e sem apresentar problemas de funcionamento ou descascar, mesmo quando o usuário está suando.

O adesivo é formado por canais de suor sintéticos, comparáveis ​​aos poros da pele humana, que os cientistas gravaram nas camadas ultrafinas do material. Os poros perfuram o remendo em um padrão semelhante ao kirigami, comparável ao da arte japonesa de recorte de papel. O conceito garante que o suor possa escapar pelo adesivo, evitando irritações na pele e danos aos sensores instalados.

O design do kirigami também ajuda o adesivo a se adaptar à pele humana conforme se estica e flexiona. Essa flexibilidade, juntamente com a capacidade do material de suportar o suor, permite que ele acompanhe a saúde de um indivíduo por longos períodos, o que na verdade não era viável com os conceitos anteriores de “e-skin”. Os resultados, divulgados em 30 de junho de 2021, na Science Advances, são um avanço em direção a peles inteligentes e duradouras que podem monitorar sinais vitais diários ou a progressão do câncer de pele e outras condições.

O professor associado de engenharia mecânica do MIT, Jeehwan Kim, diz que não haverá acúmulo de suor, dados incorretos ou descolamento da pele com este novo adesivo de pele adaptável e respirável. Jeehwan Kim continua dizendo que ele e sua equipe podem oferecer sensores vestíveis que podem fazer rastreamento contínuo de longo prazo.

Os co-autores de Kim consistem no autor principal e pós-doutorado do MIT Hanwool Yeon, bem como cientistas nos departamentos de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais do MIT e no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica, incluindo colaboradores do conglomerado de cosméticos Amorepacific e vários outros institutos em toda a Coreia do Sul .

Superando um problema suado

A equipe de Kim concentra-se na produção de camadas de semicondutores flexíveis. Os pesquisadores lideraram uma técnica chamada epitaxia remota, que consiste no cultivo de filmes semicondutores ultrafinos de alto grau em wafers em altas temperaturas e na remoção seletiva de filmes individuais. Os filmes podem ser integrados e empilhados posteriormente para criar sensores muito mais finos e flexíveis do que o conceito tradicional baseado em wafer.

Recentemente, seu trabalho atraiu o interesse da empresa de cosméticos Amorepacific, que tinha interesse em desenvolver uma fita adesiva fina para acompanhar progressivamente as modificações na pele. A empresa colaborou com Kim para criar os filmes semicondutores adaptáveis ​​do grupo em algo que pudesse ser usado por longos períodos de tempo.

No entanto, a equipe rapidamente encontrou um obstáculo que outros conceitos de e-skin ainda não superaram: o suor. A maioria dos conceitos experimentais incorpora sensores em produtos pegajosos à base de polímeros que não são totalmente respiráveis. Vários outros designs, feitos de nanofibras tecidas, podem permitir a passagem do ar, mas não o suor. Se um e-skin funcionasse por um longo período de tempo, Kim entendeu que certamente precisaria ser permeável não apenas ao vapor, mas também ao suor.

Kim explica que o suor pode se acumular entre o e-skin e a pele do usuário, o que pode causar danos à pele e mau funcionamento do sensor. Kim continua dizendo que ele e sua equipe tentaram resolver esses dois problemas ao mesmo tempo, permitindo que o suor penetrasse na pele eletrônica.

Uma solução porosa

Para ideias de design, os cientistas olharam para os poros de suor humanos. Eles descobriram que o diâmetro do poro típico mede cerca de 100 mícrons e que os poros estão arbitrariamente dispersos pela pele. Eles fizeram algumas simulações preliminares para ver como poderiam se sobrepor e criar poros artificiais de forma que não obstruíssem os poros reais da pele humana.

Yeon explicou que a ideia direta da equipe é fornecer dutos de suor sintéticos em pele eletrônica, bem como fazer caminhos altamente permeáveis ​​para o suor. Dessa forma, a equipe pode obter uma monitorabilidade mais duradoura.

Eles começaram com um padrão regular de orifícios, cada um com aproximadamente a mesma dimensão de um poro de suor real. Eles descobriram que se os poros fossem posicionados próximos uns dos outros, a uma distância menor do que o diâmetro médio de um poro, o padrão em sua totalidade permearia efetivamente o suor. No entanto, eles também descobriram que se esse padrão básico de abertura fosse gravado em um filme fino, o filme não seria muito elástico e se quebraria facilmente quando aplicado à pele.

Os cientistas descobriram que podem melhorar a resistência e a flexibilidade do padrão de orifícios cortando canais estreitos entre cada abertura, criando um padrão de halteres duplicados, em oposição a aberturas básicas, que relaxam a tensão, em vez de concentrá-la em uma área – este padrão , quando reproduzido em um material, produzia um efeito elástico semelhante ao do kirigami.

Kim explica isso dizendo que se alguém enrolar um pedaço de papel sobre uma bola, não é conformável, mas pode se conformar se a pessoa reduzir o padrão de kirigami no papel. Kim continua, mencionando que sua equipe teve a ideia de conectar os orifícios com um corte para ter uma conformabilidade tipo kirigami na pele. Ao mesmo tempo, possibilitando a penetração do suor.

Seguindo essa suposição, a equipe produziu uma pele eletrônica de várias camadas funcionais, cada uma das quais gravada com poros com padrão de halteres. As camadas da pele formam uma seleção de sensores com padrão de semicondutor ultrafino para controlar a temperatura, a hidratação, a exposição ao ultravioleta, bem como a tensão mecânica. Este conjunto de sensores é ensanduichado entre duas películas protetoras finas, todas revestindo um adesivo de polímero pegajoso.

Yeon aponta que a e-skin é como a pele humana – extremamente elástica e macia, e o suor pode penetrar nela.

Os cientistas examinaram o e-skin colando-o no pulso de um voluntário e também em sua testa. O voluntário usou a fita continuamente por mais de uma semana. Durante o processo, o novo e-skin determinava de forma confiável sua temperatura, níveis de hidratação, exposição aos raios ultravioleta e pulso, mesmo durante tarefas que induziam suor, como correr em uma esteira por meia hora e consumir um prato apimentado.

O design da equipe também se adaptou à pele, aderindo à testa do voluntário enquanto ele era solicitado a franzir a testa constantemente enquanto suava profusamente, em comparação com vários outros designs de e-skin que não tinham permeabilidade ao suor e se separavam rapidamente da pele.

Kim pretende aprimorar a resistência e durabilidade do projeto. Embora a fita seja permeável ao suor e muito adaptável, por causa de seu padrão de kirigami, é exatamente esse mesmo padrão, juntamente com a forma ultrafina da fita, que a torna razoavelmente vulnerável ao atrito. Portanto, os voluntários precisavam colocar um invólucro ao redor da fita para protegê-la durante atividades como o banho.

Yeon afirmou que, como o e-skin é muito macio, pode ser fisicamente danificado. Yeon também afirmou que ele e sua equipe pretendem melhorar a resiliência da pele eletrônica.