Un team di ricercatori ha letteralmente messo la matita sulla carta per creare un sensore accessibile, economico, impermeabile e indossabile per monitorare più segnali vitali
L'elettronica indossabile con applicazioni nel settore sanitario, le interfacce uomo-macchina e la robotica spesso esplorano complesse procedure di produzione e non sono usa e getta. Sebbene l'uso di modelli a matita conduttiva su carta di cellulosa fornisca sensori usa e getta poco costosi, essi hanno un'elasticità limitata e sono facilmente influenzati dalle variazioni dell'ambiente circostante.
Il team, che ha pubblicato i dettagli del sensore a matita su carta nel Chemical Engineering Journal, (1) aveva precedentemente progettato un sensore a matita su carta che poteva essere utilizzato in “pannolini intelligenti” (2) per rilevare l'umidità. Quel sensore, tuttavia, non era idrofobo, quindi sebbene fosse utile per rilevare l'umidità, non poteva essere utilizzato per monitorare accuratamente altre variabili di salute in cui l'umidità potrebbe interferire con il rilevamento e i risultati.
«In questo caso, stiamo cercando di misurare molecole di gas, temperatura e segnali fisiologici elettrici», ha detto l'autore corrispondente, il dottor Huanyu “Larry” Cheng (3), James L. Henderson Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics presso la Penn State. «Se otteniamo interferenze dall'umidità o dall'umidità rapida, il segnale e la robustezza meccanica saranno compromessi. Ecco perché abbiamo progettato un rivestimento superidrofobico, che rende il sensore praticamente impermeabile».
I ricercatori hanno utilizzato un rivestimento idrofobo di silice, che era stato utilizzato per altri sensori, ma mai per i sensori a matita su carta. Questi sensori sono stati progettati anche per essere estensibili, rendendo possibile indossarli sulla pelle.
«Con questo sensore, non hai bisogno di attrezzature ingombranti», ha detto l'autrice corrispondente Li Yang (4), ex visiting scholar presso il Penn State Department of Engineering Science and Mechanics e ora della School of Health Sciences and Biomedical Engineering presso l'Università di Hebei della Tecnologia, Tianjin, Cina. «Utilizziamo approcci di produzione a basso costo per renderli accessibili. Il sensore è realizzato in materiale di grafite esfoliato da una matita. Quindi, il materiale della matita è davvero il materiale sensibile perché è un materiale conduttore».
Oltre a catturare la temperatura e le molecole di gas, i sensori potrebbero catturare l'azione elettrica fisiologica per monitorare il movimento muscolare, l'attività cardiovascolare e i segnali cerebrali. I ricercatori hanno affermato che il dispositivo ha il potenziale non solo per il rilevamento ma anche per la stimolazione: ad esempio, il sensore potrebbe somministrare la terapia termica inviando una corrente alla pelle.
Il dottor Cheng ha affermato che la convenienza, l'accessibilità e la versatilità del sensore - in termini di portata dei segni vitali che potrebbe misurare - potrebbero renderlo utile per le applicazioni di sanità pubblica, invece che esclusivamente per scopi di salute individuale.
«In generale, siamo interessati alla salute della popolazione», ha detto Cheng. «Quindi, con questo processo di produzione a basso costo e l'accessibilità dei sensori, speriamo di poterlo fornire a una popolazione davvero ampia, e quindi raccogliere informazioni sulla variazione tra gli individui per poter stabilire una linea di base, in riferimento alla popolazione di pazienti in diverse località geografiche o in diverse popolazioni».
Gli altri autori dell'articolo sono Ankan Dutta, studente di dottorato presso il Penn State Department of Engineering Science and Mechanics; e Ye Xue, Zihan Wang, Xue Chen, Peng Gao, Runze Li, Jiayi Yan, Guangyu Niu, Ya Wang, Shuajie Du e Li Yang, tutti della Hebei University of Technology di Yianjin, in Cina.
Il dottor Cheng è anche affiliato con il Materials Research Institute; gli Istituti dell'Energia e dell'Ambiente; l'Istituto per le scienze computazionali e dei dati; l'Istituto di Ingegneria, Energia e Ambiente; e il Sustainability Institute, tutti alla Penn State.
Questa ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation e dal Center for Human Evolution and Diversity presso Penn State, nonché dalla National Natural Science Foundation of China, dal Key Research and Development Project della provincia di Hebei e dalla Cina Progetto post-dottorato della Science Foundation.
Riferimenti:
(1) Superhydrophobic, stretchable kirigami pencil-on-paper multifunctional device platform
(2) New sensor enables ‘smart diapers,’ range of other health monitors
(4) Li Yang
Descrizione foto: Sensore indossabile con matita su carta. I sensori utilizzano un rivestimento idrofobo di silice, che non è stato utilizzato in precedenza per i sensori a matita su carta. Questi sensori sono stati progettati anche per essere estensibili, rendendo possibile indossarli sulla pelle. - Credit: Huanyu “Larry” Cheng.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Low-cost, waterproof sensors may create new health-monitoring possibilities