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La "pelle intelligente" elettronica a prova di sudore rileva parametri vitali affidabili, anche durante gli allenamenti
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Il progetto potrebbe portare a monitor indossabili conformabili per monitorare il cancro della pelle e altre condizioni.
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Gli ingegneri del MIT e i ricercatori della Corea del Sud hanno sviluppato una "pelle elettronica" a prova di sudore - un cerotto adesivo conformabile e dotato di sensori che monitora la salute di una persona senza malfunzionamenti o senza staccarsi, anche quando chi lo indossa sta sudando.
Il cerotto è modellato con condotti di sudore artificiali, simili ai pori della pelle umana, che i ricercatori hanno inciso attraverso gli strati ultrasottili del materiale. I pori perforano il cerotto in un modello simile al kirigami, simile a quello dell'arte giapponese del taglio della carta. Il design assicura che il sudore possa uscire attraverso il cerotto, prevenendo l'irritazione della pelle e i danni ai sensori incorporati.
Il design kirigami aiuta anche il cerotto a conformarsi alla pelle umana mentre si allunga e si piega. Questa flessibilità, unita alla capacità del materiale di resistere al sudore, permette di monitorare la salute di una persona per lunghi periodi di tempo, cosa che non è stata possibile con i precedenti design "e-skin". I risultati, pubblicati il 30 giugno 2021 su Science Advances, sono un passo verso le pelli intelligenti di lunga durata che possono tracciare i segni vitali quotidiani o la progressione del cancro della pelle e altre condizioni.
"Con questo cerotto conformabile e traspirante, non ci sarà alcun accumulo di sudore, informazioni errate o distacco dalla pelle", dice Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Possiamo fornire sensori indossabili che possono fare un monitoraggio costante a lungo termine"
I coautori di Kim includono l'autore principale e il postdoc del MIT Hanwool Yeon, e i ricercatori dei dipartimenti di ingegneria meccanica e di scienza e ingegneria dei materiali del MIT, e il laboratorio di ricerca di elettronica, insieme ai collaboratori del conglomerato di cosmetici Amorepacific e altre istituzioni della Corea del Sud.
Un ostacolo sudato
Il gruppo di Kim è specializzato nella fabbricazione di pellicole di semiconduttori flessibili. I ricercatori sono stati pionieri di una tecnica chiamata epitassia remota, che comporta la crescita di pellicole di semiconduttori ultrasottili e di alta qualità su wafer ad alta temperatura e la rimozione selettiva delle pellicole, che possono poi combinare e impilare per formare sensori molto più sottili e flessibili dei design tradizionali basati su wafer.
Recentemente, il loro lavoro ha attirato l'attenzione della società di cosmetici Amorepacific, che era interessata a sviluppare un nastro sottile indossabile per monitorare continuamente i cambiamenti della pelle. L'azienda ha avviato una collaborazione con Kim per modellare i film semiconduttori flessibili del gruppo in qualcosa che potrebbe essere indossato per lunghi periodi di tempo.
Ma il team si è presto scontrato con una barriera che altri progetti di pelle elettronica devono ancora superare: il sudore. La maggior parte dei progetti sperimentali incorporano i sensori in materiali appiccicosi a base di polimeri che non sono molto traspiranti. Altri progetti, fatti di nanofibre intrecciate, possono far passare l'aria, ma non il sudore. Se una pelle elettronica dovesse funzionare a lungo termine, Kim ha capito che dovrebbe essere permeabile non solo al vapore ma anche al sudore.
"Il sudore può accumularsi tra la pelle elettronica e la pelle, il che potrebbe causare danni alla pelle e il malfunzionamento dei sensori", dice Kim. "Così abbiamo cercato di affrontare questi due problemi allo stesso tempo, permettendo al sudore di permeare attraverso la pelle elettronica"
Fare il taglio
Per l'ispirazione del design, i ricercatori hanno guardato ai pori del sudore umano. Hanno scoperto che il diametro del poro medio misura circa 100 micron, e che i pori sono distribuiti in modo casuale in tutta la pelle. Hanno eseguito alcune simulazioni iniziali per vedere come potrebbero sovrapporre e organizzare i pori artificiali, in modo da non bloccare i pori reali nella pelle umana.
"La nostra semplice idea è che se forniamo condotti sudoripari artificiali nella pelle elettronica e facciamo percorsi altamente permeabili per il sudore, possiamo ottenere una monitorabilità a lungo termine", spiega Yeon
Hanno iniziato con un modello periodico di fori, ciascuno delle dimensioni di un poro di sudore reale. Hanno scoperto che se i pori erano distanziati l'uno dall'altro, a una distanza inferiore al diametro medio di un poro, il modello nel suo insieme avrebbe permeato efficacemente il sudore. Ma hanno anche scoperto che se questo semplice schema di fori veniva inciso attraverso una pellicola sottile, la pellicola non era molto estensibile, e si rompeva facilmente quando veniva applicata alla pelle.
I ricercatori hanno scoperto che potevano aumentare la forza e la flessibilità del modello di fori tagliando sottili canali tra ogni foro, creando un modello di manubri ripetuti, piuttosto che semplici fori, che rilassava lo sforzo, piuttosto che concentrarlo in un posto. Questo modello, quando inciso in un materiale, ha creato un effetto elastico, simile al kirigami.
"Se si avvolge un pezzo di carta su una palla, non è conformabile", dice Kim. "Ma se si incide un motivo kirigami nella carta, potrebbe conformarsi. Così abbiamo pensato, perché non collegare i fori con un taglio, per avere una conformabilità simile al kirigami sulla pelle? Allo stesso tempo possiamo permeare il sudore"
Seguendo questa logica, il team ha fabbricato una pelle elettronica da più strati funzionali, ognuno dei quali è stato inciso con pori a forma di manubrio. Gli strati della pelle comprendono una serie ultrasottile di sensori a semiconduttore per monitorare la temperatura, l'idratazione, l'esposizione ai raggi ultravioletti e la tensione meccanica. Questo array di sensori è inserito tra due sottili pellicole protettive, il tutto sovrapposto a un adesivo polimerico appiccicoso.
"L'e-pelle è come la pelle umana - molto elastica e morbida, e il sudore può permeare attraverso di essa", dice Yeon.
I ricercatori hanno testato la pelle elettronica attaccandola al polso e alla fronte di un volontario. Il volontario ha indossato il nastro continuamente per una settimana. Durante questo periodo, la nuova pelle elettronica ha misurato in modo affidabile la sua temperatura, i livelli di idratazione, l'esposizione ai raggi UV e le pulsazioni, anche durante le attività che inducono il sudore, come correre su un tapis roulant per 30 minuti e consumare un pasto piccante.
Il design del team si è anche conformato alla pelle, aderendo alla fronte del volontario quando gli è stato chiesto di accigliarsi ripetutamente mentre sudava abbondantemente, rispetto ad altri design di e-skin che non avevano permeabilità al sudore e si staccavano facilmente dalla pelle.
Kim prevede di migliorare la forza e la durata del design. Mentre il nastro è sia permeabile al sudore che altamente conformabile, grazie al suo disegno kirigami, è questo stesso disegno, abbinato alla forma ultrasottile del nastro, che lo rende piuttosto fragile all'attrito. Di conseguenza, i volontari hanno dovuto indossare un involucro intorno al nastro per proteggerlo durante attività come la doccia.
"Poiché la pelle elettronica è molto morbida, può essere fisicamente danneggiata", dice Yeon. "Puntiamo a migliorare la resilienza della pelle elettronica"
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