Os pesquisadores desenvolveram um método para fabricar sensores adaptativos e ecológicos que podem ser impressos direta e imperceptivelmente em uma ampla variedade de superfícies biológicas, seja um dedo ou uma pétala de flor. Crédito: Universidade de Cambridge
Os pesquisadores de Cambridge desenvolveram sensores leves e ecológicos, inspirados na seda de aranha, que se integram perfeitamente a superfícies biológicas para diversas aplicações em monitoramento de saúde e realidade virtual.
Os cientistas desenvolveram um método para fabricar sensores adaptativos e ecológicos que podem ser impressos direta e imperceptivelmente em uma ampla variedade de superfícies biológicas, seja um dedo ou uma pétala de flor.
O método, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Cambridge, se inspira na seda da aranha, que pode se moldar e aderir a diversas superfícies. Estas “sedas de aranha” também incorporam bioeletrônica, de modo que diferentes capacidades de detecção podem ser adicionadas à “teia”.
Tecnologia Avançada de Sensores
As fibras, pelo menos 50 vezes menores que um fio de cabelo humano, são tão leves que os pesquisadores as imprimiram diretamente na fofa semente de um dente-de-leão, sem destruir sua estrutura. Quando impressos na pele humana, os sensores de fibra adaptam-se à pele e expõem os poros sudoríparos, para que o usuário não detecte sua presença. Testes das fibras impressas em um dedo humano sugerem que elas poderiam ser usadas como monitores contínuos de saúde.
Este método de baixo desperdício e baixas emissões para aumentar estruturas vivas poderia ser utilizado numa série de campos, desde cuidados de saúde e realidade virtual, até têxteis electrónicos e monitorização ambiental. Os resultados são divulgados hoje (24 de maio) na revista Eletrônica da Natureza.
Os pesquisadores desenvolveram um método para fabricar sensores adaptativos e ecológicos que podem ser impressos direta e imperceptivelmente em uma ampla variedade de superfícies biológicas, seja um dedo ou uma pétala de flor. As fibras, pelo menos 50 vezes menores que um fio de cabelo humano, são tão leves que os pesquisadores as imprimiram diretamente na fofa semente de um dente-de-leão, sem destruir sua estrutura. Crédito: Universidade de Cambridge
Embora a pele humana seja extremamente sensível, aumentá-la com sensores eletrônicos poderia mudar fundamentalmente a forma como interagimos com o mundo que nos rodeia. Por exemplo, sensores impressos diretamente na pele poderiam ser usados para monitoramento contínuo da saúde, para compreender as sensações da pele ou poderiam melhorar a sensação de “realidade” em jogos ou aplicações de realidade virtual.
Desafios na tecnologia wearable
Embora tecnologias vestíveis com sensores incorporados, como smartwatches, estejam amplamente disponíveis, estes dispositivos podem ser desconfortáveis e intrusivos. Eles também podem inibir as sensações intrínsecas da pele.
“Se você deseja detectar com precisão qualquer coisa em uma superfície biológica, como a pele ou uma folha, a interface entre o dispositivo e a superfície é vital”, disse o professor Yan Yan Shery Huang, do Departamento de Engenharia de Cambridge, que liderou a pesquisa. “Também queremos bioeletrônica que seja completamente imperceptível para o usuário, para que não interfira de forma alguma na forma como o usuário interage com o mundo, e queremos que seja sustentável e com baixo desperdício.”
Os pesquisadores desenvolveram um método para fabricar sensores adaptativos e ecológicos que podem ser impressos direta e imperceptivelmente em uma ampla variedade de superfícies biológicas, seja um dedo ou uma pétala de flor. Quando impressos na pele humana, os sensores de fibra adaptam-se à pele e expõem os poros sudoríparos, para que o usuário não detecte sua presença. Testes das fibras impressas em um dedo humano sugerem que elas poderiam ser usadas como monitores contínuos de saúde. Crédito: Universidade de Cambridge
Inovações em Eletrônica Flexível
Existem vários métodos para fabricar sensores vestíveis, mas todos apresentam desvantagens. Eletrônicos flexíveis, por exemplo, são normalmente impressos em filmes plásticos que não permitem a passagem de gás ou umidade, então seria como envolver sua pele em filme plástico. Outros pesquisadores desenvolveram recentemente eletrônicos flexíveis que são permeáveis a gases, como peles artificiais, mas que ainda interferem na sensação normal e dependem de técnicas de fabricação que consomem muita energia e resíduos.
A impressão 3D é outra rota potencial para a bioeletrônica, uma vez que causa menos desperdício do que outros métodos de produção, mas leva a dispositivos mais espessos que podem interferir no comportamento normal. A fiação de fibras eletrônicas resulta em dispositivos imperceptíveis ao usuário, mas sem alto grau de sensibilidade ou sofisticação, e de difícil transferência para o objeto em questão.
Agora, a equipe liderada por Cambridge desenvolveu uma nova maneira de fabricar bioeletrônica de alto desempenho que pode ser personalizada para uma ampla gama de superfícies biológicas, desde a ponta de um dedo até a semente fofa de um dente-de-leão, imprimindo-as diretamente nessa superfície. Sua técnica se inspira em parte nas aranhas, que criam estruturas de teia sofisticadas e fortes, adaptadas ao seu ambiente, usando o mínimo de material.
Os pesquisadores criaram sua ‘seda de aranha’ bioeletrônica a partir de PEDOT:PSS (um polímero condutor biocompatível), ácido hialurônico ácidoe óxido de polietileno. As fibras de alto desempenho foram produzidas a partir de solução à base de água em temperatura ambiente, o que permitiu aos pesquisadores controlar a ‘fiação’ das fibras. Os pesquisadores então projetaram uma abordagem de rotação orbital para permitir que as fibras se transformassem em superfícies vivas, até mesmo em microestruturas como impressões digitais.
Testes das fibras bioeletrônicas, em superfícies incluindo dedos humanos e sementes de dente-de-leão, mostraram que elas forneciam um desempenho de sensor de alta qualidade, permanecendo imperceptíveis para o hospedeiro.
“Nossa abordagem de fiação permite que as fibras bioeletrônicas sigam a anatomia de diferentes formas, tanto em escala micro quanto macro, sem a necessidade de qualquer reconhecimento de imagem”, disse Andy Wang, o primeiro autor do artigo. “Isso abre um ângulo totalmente diferente em termos de como a eletrônica e os sensores sustentáveis podem ser fabricados. É uma maneira muito mais fácil de produzir sensores de grandes áreas.”
Direções Futuras e Comercialização
A maioria dos sensores de alta resolução são fabricados em salas limpas industriais e requerem produtos químicos tóxicos em um processo de fabricação de várias etapas e que consome muita energia. Os sensores desenvolvidos em Cambridge podem ser fabricados em qualquer lugar e utilizam uma pequena fração da energia que os sensores normais requerem.
As fibras bioelectrónicas, que são reparáveis, podem ser simplesmente lavadas quando atingem o fim da sua vida útil e geram menos de um único miligrama de resíduos: em comparação, uma única carga típica de roupa produz entre 600 e 1500 miligramas de resíduos de fibra.
“Usando nossa técnica simples de fabricação, podemos colocar sensores em praticamente qualquer lugar e repará-los onde e quando necessário, sem precisar de uma grande máquina de impressão ou de uma instalação de fabricação centralizada”, disse Huang. “Esses sensores podem ser fabricados sob demanda, exatamente onde são necessários, e produzir o mínimo de resíduos e emissões.”
Os pesquisadores dizem que seus dispositivos podem ser usados em aplicações que vão desde monitoramento de saúde e realidade virtual até agricultura de precisão e monitoramento ambiental. No futuro, outros materiais funcionais poderão ser incorporados neste método de impressão de fibra, para construir sensores de fibra integrados para aumentar os sistemas vivos com funções de exibição, computação e conversão de energia. A pesquisa está sendo comercializada com o apoio da Cambridge Enterprise, braço de comercialização da Universidade.
Referência: “Aumento imperceptível de sistemas vivos com fibras bioeletrônicas orgânicas” 24 de maio de 2024, Eletrônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41928-024-01174-4
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Conselho Europeu de Pesquisa, Wellcome, Royal Society e Conselho de Pesquisa em Biotecnologia e Ciências Biológicas (BBSRC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI).
