Medidores de tensão confortáveis ​​podem ser colocados diretamente na pele humana para monitorar a atividade de movimento contínuo com aplicações generalizadas em robótica, detecção de movimento humano, e cuidados de saúde pessoais. Contudo, é um desafio desenvolver um medidor de tensão na pele para monitorar os movimentos do corpo humano a longo prazo sem perturbar o movimento natural da pele. Em um novo relatório agora em Avanços da Ciência , Yan Wang, e uma equipe de cientistas em engenharia elétrica da Universidade de Tóquio e do Center for Emergent Matter Science no Japão apresentou um extensômetro nanomesh durável e ultrafino. O dispositivo permitiu a atividade de movimento contínuo para minimizar as restrições mecânicas no movimento natural da pele. Eles projetaram o dispositivo usando nanomashes reforçadas de poliuretano-polidimetilsiloxano (PU-PDMS) para excelente sustentabilidade e durabilidade. A geometria e suavidade do dispositivo proporcionaram interferência mecânica mínima para deformações naturais da pele. Durante os testes de fala, por exemplo, o rosto ligado à nanomesh mostrou mapeamento de deformação da pele semelhante à pele natural sem nanomashes. Wang et al. demonstrou mapeamento facial de longo prazo para detectar em tempo real, movimentos corporais estáveis ​​com sensores nanomesh ligados à superfície.

Engenharia de uma nanomesh

Os eletrônicos vestíveis para aplicações na pele são projetados para serem finos, macio e durável para se integrar com a pele humana para aplicações contínuas de longo prazo. Strain gages têm atraído um interesse significativo na bioengenharia devido às suas aplicações em interfaces homem-máquina para diagnósticos de saúde. Strain gages macios e de alta precisão podem ser aplicados para medir continuamente a função biológica do órgão. Contudo, eles têm mecanismos mais simples para gerar mudanças elétricas repetitivas após a deformação mecânica, para aplicações que fazem interface com sistemas biológicos. Os dispositivos requerem apenas alta conformidade mecânica, flexibilidade, sensibilidade e biocompatibilidade para um funcionamento ideal. Nesse trabalho, Wang et al. desenvolveu um strain gage nanomesh ultrafino e durável para detectar o movimento humano ao mesmo tempo em que minimiza as restrições mecânicas na pele natural. Eles usaram PU-PDMS (poliuretano-polidimetilsiloxano) para projetar as nanomashes com um peso ultraleve de 0,12 mg / cm ² e durabilidade mecânica extraordinária para aplicações de alongamento e liberação de alto ciclo. A equipe usou a configuração para mapear com sucesso a tensão da pele facial durante a fala por até 3,5 horas com interferência mecânica mínima após o uso de longo prazo.

Durante os experimentos, a equipe primeiro nanofibras de PU (poliuretano) submetidas a eletrofiação para criar longas, fibras semelhantes a cabelos para formar a espinha dorsal do sensor de nanomesh permeável. Na próxima etapa, eles mergulharam a folha de nanofibra de PU em uma solução diluída de PDMS (polidimetilsiloxano) para que as nanofibras formassem feixes aleatórios circundados por PDMS. Wang et al. sujeitou o material à exposição ao ozônio ultravioleta suave (UV) para curar a superfície e facilitar a hidrofilia da superfície (natureza que ama a água) para biocompatibilidade. Eles completaram o dispositivo usando deposição de ouro em ambos os lados e observaram a bainha do núcleo PU-PDMS resultante usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). O revestimento de PDMS aumentou a interconectividade entre as nanofibras para melhorar a integridade estrutural dos construtos. A resistência mecânica resultante da nanomesh PU-PDMS autônomo melhorou muito com maior extensibilidade em comparação com a folha de nanofibra nua e a equipe também examinou sua permeabilidade ao gás.

Flexibilidade e sensibilidade programáveis

Wang et al. projetou com eficácia diversas estruturas de nanomesh, variando a concentração de PDMS para obter strain gages de nanomesh com diferentes sensibilidades e capacidades de elasticidade. Contudo, todos os dispositivos mantiveram distribuições de tamanho de poro semelhantes em relação à sua estrutura porosa. Os cientistas definiram o fator de medição (GF) ou sensibilidade à deformação como a razão entre a variação fracionária na resistência elétrica e a variação fracionária no comprimento. Diferentes estruturas de malha apresentaram diferentes elasticidades e fatores de medição. Durante o alongamento uniaxial, a resistência de cada dispositivo aumentou com taxas diferentes. Ao diluir a solução PDMS, eles efetivamente programaram os strain gages nanomesh com diferentes elasticidades e sensibilidades. Em cepas mais altas além da faixa de tolerância, as malhas PU-PDMS desconectadas para causar a quebra da nanomesh, enquanto a estrutura de nanomesh pode ser mantida liberando a cepa.

Sustentabilidade eletromecânica, confiabilidade e durabilidade dos sensores de nanomesh PU-PDMS

Para entender a sustentabilidade do dispositivo, a equipe de pesquisa aplicou uma tensão de 40% no dispositivo por 12 horas. Eles então realizaram testes cíclicos para investigar a durabilidade mecânica do construto e notaram uma ligeira histerese na resistência nas primeiras centenas de ciclos devido às propriedades mecânicas do PDMS. A resistência da folha da nanomesh PU-PDMS foi estável sob 100 dias de armazenamento em condições ambientais devido à sua superfície de ouro inerte, indicando uma longa vida útil, bem adequado para aplicações práticas. Os cientistas realizaram testes de durabilidade para os sensores de nanomesh usando construções projetadas com diversos andaimes de nanofibras, incluindo álcool polivinílico (PVA), poliuretano (PU) sozinho e PU com revestimento de parileno. Em comparação com as três outras nanomashes que não tiveram um desempenho tão eficaz, as nanomashes PU-PDMS mostraram deformação cíclica uniforme durante 100 ciclos.

Depois de conectar o dispositivo nanomesh à pele humana, a equipe borrifou a superfície com névoa de água para uma aderência estável. O contato foi quase imperceptível para o sujeito usando os sensores de nanomesh durante o experimento. Wang et al. conectou sensores de nanomesh no lado direito da face e colocou marcadores retangulares pretos no lado esquerdo como referência. Quando o sujeito do teste articulou as letras "a, "" o "e" u, "as cepas mais altas registradas para marcadores pretos variaram entre 17,5 a 25%, enquanto os registrados para sensores de nanomesh foram de 18,3 a 23,6%. Os resultados do mapeamento de deformação, portanto, mostraram distribuição simétrica da deformação da pele no lado direito e esquerdo da face, destacando as restrições mecânicas mínimas de dispositivos em nanoescala na pele durante a fala. As nanomashes adaptáveis ​​podem ser usadas por 3,5 horas sem desconforto.

A equipe então estendeu os experimentos para detectar deformações sutis da pele no pulso humano induzidas pelo pulso. Eles pressionaram suavemente a artéria radial do pulso humano conectada com um sensor de nanomesh e escolheram a amplitude e a frequência em tempo real, o dispositivo pode ser usado para monitorar sinais antes e depois do exercício físico. A construção manteve maior elasticidade linear para detectar grandes movimentos de flexão da articulação com excelente complacência para evitar quebra ou desprendimento da pele. O sensor de deformação manteve a funcionalidade efetiva mesmo após 10, 000 ciclos de flexão / relaxamento para demonstrar sua integridade estrutural e conformabilidade entre a pele e o dispositivo.

Desta maneira, o PU-PDMS (poliuretano-polidimetilsiloxano) ultramacio à base de nanomashes multicamadas desenvolvidas neste trabalho eram mais finas e mais extensíveis em comparação com o trabalho anterior conduzido pela mesma equipe. As construções exibiram durabilidade e sustentabilidade notáveis ​​durante os testes de alongamento cíclico. A durabilidade mecânica foi um recurso fundamental para testes de monitoramento de pele de alta precisão de longo prazo em tempo real. Os sensores nanomesh são adequados para uma variedade de aplicações práticas, incluindo monitoramento remoto de saúde pessoal, rastreando o desempenho do esporte de resistência e como próteses de interface pele-máquina. Wang et al. sugerem substituir o revestimento de superfície de ouro por nanomateriais condutores mais econômicos para construir eletrônicos de nanomesh no futuro. Os cientistas imaginam que essas construções se tornarão aplicáveis ​​como eletrônicos futurísticos na pele / implantáveis ​​para atividades de monitoramento de saúde cotidianas.

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