Ao empilhar e conectar camadas de circuitos extensíveis um em cima do outro, engenheiros desenvolveram uma abordagem para construir soft, "eletrônicos elásticos 3-D flexíveis" que podem incluir muitas funções enquanto permanecem finos e pequenos em tamanho. O trabalho foi publicado na edição de 13 de agosto da Nature Electronics .

Como prova de conceito, uma equipe liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego construiu um patch eletrônico extensível que pode ser usado na pele como uma bandagem e usado para monitorar sem fio uma variedade de sinais físicos e elétricos, da respiração, para o movimento do corpo, à temperatura, para o movimento dos olhos, ao coração e à atividade cerebral. O dispositivo, que é tão pequena e grossa quanto uma moeda de um dólar americano, também pode ser usado para controlar sem fio um braço robótico.

"Nossa visão é fazer eletrônicos 3-D extensíveis que sejam multifuncionais e de alto desempenho como os eletrônicos rígidos de hoje, "disse o autor sênior Sheng Xu, professor do Departamento de NanoEngenharia e do Center for Wearable Sensors, ambos na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs.

Xu foi nomeado entre a lista de 35 inovadores com menos de 35 da MIT Technology Review em 2018 por seu trabalho nessa área.

Para levar a eletrônica extensível para o próximo nível, Xu e seus colegas estão construindo para cima e não para fora. "A eletrônica rígida pode oferecer muitas funcionalidades em um pequeno espaço - eles podem ser facilmente fabricados com até 50 camadas de circuitos que estão intrinsecamente conectados, com muitos chips e componentes compactados em seu interior. Nosso objetivo é conseguir isso com eletrônicos extensíveis, "disse Xu.

O novo dispositivo desenvolvido neste estudo consiste em quatro camadas de extensíveis interconectadas, placas de circuito flexível. Cada camada é construída sobre um substrato de elastômero de silicone padronizado com o que é chamado de design de "ponte-ilha". Cada "ilha" é uma pequena, parte eletrônica rígida (sensor, antena, Chip Bluetooth, amplificador, acelerômetro, resistor, capacitor, indutor, etc.) que está anexado ao elastômero. As ilhas são conectadas por "pontes" elásticas feitas de finas, fios de cobre em forma de mola, permitindo que os circuitos se estendam, dobre e torça sem comprometer a função eletrônica.

Fazendo conexões

Este trabalho supera um obstáculo tecnológico para a construção de eletrônicos extensíveis em 3-D. "O problema não é empilhar as camadas. É criar conexões elétricas entre elas para que possam se comunicar, "disse Xu. Essas conexões elétricas, conhecidos como acessos de interconexão vertical ou VIAs, são essencialmente pequenos orifícios condutores que passam por diferentes camadas de um circuito. VIAs são tradicionalmente feitos usando litografia e gravura. Embora esses métodos funcionem bem em substratos eletrônicos rígidos, eles não funcionam em elastômeros elásticos.

Então, Xu e seus colegas se voltaram para os lasers. Eles primeiro misturaram o elastômero de silicone com um corante orgânico preto para que pudesse absorver a energia de um feixe de laser. Em seguida, eles formaram circuitos em cada camada de elastômero, empilhou-os, e então acerte certos pontos com um feixe de laser para criar os VIAs. Depois, os pesquisadores preencheram os VIAs com materiais condutores para conectar eletricamente as camadas umas às outras. E uma vantagem de usar lasers, notas Xu, é que eles são amplamente usados ​​na indústria, portanto, a barreira para transferir essa tecnologia é baixa.

'Bandagem inteligente' multifuncional

A equipe construiu um dispositivo eletrônico extensível 3-D à prova de conceito, que eles apelidaram de "curativo inteligente". Um usuário pode colocá-lo em diferentes partes do corpo para monitorar, sem fio, diferentes sinais elétricos. Quando usado no peito ou estômago, ele registra os sinais do coração como um eletrocardiograma (ECG). Na testa, ele registra sinais cerebrais como um minissensor de EEG, e quando colocado na lateral da cabeça, ele registra os movimentos do globo ocular. Quando usado no antebraço, ele registra a atividade muscular e também pode ser usado para controlar remotamente um braço robótico. A bandagem inteligente também monitora a respiração, temperatura da pele e movimento corporal.

"Não tínhamos um uso final específico para todas essas funções combinadas, mas a questão é que podemos integrar todas essas diferentes capacidades de detecção na mesma pequena bandagem, "disse o co-primeiro autor Zhenlong Huang, que conduziu este trabalho como um Ph.D. visitante aluno do grupo de pesquisa de Xu.

E os pesquisadores não sacrificaram a qualidade pela quantidade. “Este dispositivo é como um 'mestre em todos os negócios'. Escolhemos alta qualidade, subcomponentes robustos - o melhor sensor de deformação que podemos encontrar no mercado, o acelerômetro mais sensível, o sensor de ECG mais confiável, Bluetooth de alta qualidade, etc. - e desenvolveu uma maneira inteligente de integrar tudo isso em um dispositivo extensível, "acrescentou o co-primeiro autor Yang Li, um estudante de graduação em nanoengenharia na UC San Diego no grupo de pesquisa de Xu.

Até aqui, a bandagem inteligente pode durar mais de seis meses sem nenhuma queda no desempenho, extensibilidade ou flexibilidade. Ele pode se comunicar sem fio com um smartphone ou laptop a até 10 metros de distância. O dispositivo funciona com um total de cerca de 35,6 miliwatts, o que é equivalente à potência de 7 ponteiros laser.

A equipe trabalhará com parceiros industriais para otimizar e refinar essa tecnologia. Eles esperam testá-lo em ambientes clínicos no futuro.