Tecno

Pelle di serpente

Sensori indossabili con ampia sensibilità alla deformazione. I ricercatori traggono ispirazione dalla pelle di serpente nel design strutturale del sensore.

Molte funzioni corporee nell’uomo si manifestano con deformazioni meccaniche della pelle – dall’allungamento, flessione e movimento di muscoli e articolazioni al battito del polso. Questi cambiamenti meccanici possono essere rilevati e monitorati misurando diversi livelli di sforzo in vari punti del corpo.

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Negli ultimi anni, molta attenzione è stata concentrata sui sensori indossabili per misurare questi ceppi da utilizzare nel monitoraggio della salute personale. Alcuni di questi sensori sono in grado di rilevare ceppi di alto livello (40-100%), come quelli associati ai movimenti delle dita e delle articolazioni degli arti, altri rilevano ceppi di livello medio (10-40%), come quelli riscontrati nella deglutizione e nei movimenti facciali e altri ancora sono sensibili a ceppi di basso livello (<1%-10%) osservati nei polsi del polso e nelle vibrazioni delle corde vocali.

Grazie ai suoi massimi livelli di conduttività e stabilità, un materiale molto apprezzato per questi tipi di sensori è PEDOT:PSS o poli(3,4-etilendiossitiofene) polistirene solfonato. In precedenza, sono stati sviluppati sensori di deformazione PEDOT:PSS molto sensibili in grado di rilevare la deformazione da movimenti molto minuti (<1%), ma l’elasticità intrinsecamente scarsa dei film PEDOT:PSS comporta un deterioramento dei livelli di prestazioni e funzionalità quando viene utilizzato per misurare deformazioni più grandi (>20%). I tentativi di risolvere questo problema aggiungendo polimeri elastici, o elastomeri, hanno portato a un aumento dell’elasticità ma a una diminuzione della sensibilità nel rilevamento di piccole deformazioni.

Un team collaborativo del Terasaki Institute for Biomedical Innovation ha affrontato queste sfide progettando un dispositivo di rilevamento della deformazione indossabile in grado di rilevare efficacemente un’ampia gamma di deformazioni. Per massimizzare l’elasticità di questo sensore, i ricercatori TIBI hanno tratto ispirazione da un esempio trovato in natura. I serpenti sono ben noti per avere la capacità di allungarsi fino a più volte la loro normale dimensione corporea quando ingeriscono la preda. Dopo un esame più attento della pelle di serpente, i ricercatori hanno osservato che la pelle di serpente è ricoperta da squame sovrapposte; quando viene applicata una tensione, queste squame scorrono l’una sull’altra e vengono spostate in squame separate con la pelle intercalata tra loro. Ciò conferisce un’elasticità eccezionale alla pelle.

I ricercatori hanno utilizzato questo concetto di design per fabbricare il loro sensore. Uno strato sottile di PEDOT:PSS è stato applicato e cotto su un nastro di elastomero. Questo strato è stato poi allungato ad un livello di deformazione ottimizzato sperimentalmente del 50%. Questo processo ha provocato crepe e la formazione di pezzi su microscala, o “isole” nella superficie dello strato, con aree di PEDOT:PSS intervallate. Queste aree esposte sono servite come siti di incollaggio per l’applicazione di un secondo strato sottile di PEDOT:PSS. Una volta applicato, il secondo strato è stato ulteriormente allungato fino a raggiungere un livello di deformazione del 100%, creando ulteriori isole e aree che si allineavano naturalmente con quelle del primo strato. Quando è stato rilasciato dallo stiramento, è stata creata una struttura con isole sovrapposte che imitavano la struttura squamosa di un serpente.

“Il punto chiave nello sviluppo di questo sensore è il suo nuovo design strutturale”, ha affermato il ricercatore capo Shiming Zhang, Ph.D. “Permette al nostro dispositivo di misurare un’ampia gamma di livelli di deformazione con un alto grado di sensibilità”.

Il doppio strato PEDOT:PSS è stato apposto sopra uno strato di idrogel; per questo sottostrato è stato scelto l’idrogel morbido e gelatinoso, in quanto si appoggerebbe sulla pelle del soggetto e offrirebbe biocompatibilità e comfort indossabile. Al sensore sono stati aggiunti fili di rame e una guarnizione in elastomero e sono stati condotti vari esperimenti per testarne la capacità di rilevare un’ampia gamma di deformazioni.

Nei test di sforzo a basso range, le misurazioni dei polsi al polso sono state prese a riposo e dopo l’esercizio. Ci sono state anche misurazioni del movimento della pelle e dei tessuti sul collo durante la vocalizzazione e la fonazione. Per rilevare i ceppi di medio livello, sono state effettuate misurazioni dei movimenti delle sopracciglia e dei movimenti su e giù della laringe durante la deglutizione. E nei test di deformazione di alto livello, sono state effettuate misurazioni di diversi gradi di flessione del gomito.

I risultati degli esperimenti hanno mostrato che il sensore TIBI ha prodotto segnali chiaramente definiti con un intervallo di sensibilità di due ordini di grandezza. I segnali riflettevano accuratamente i gradi e gli angoli dei movimenti corrispondenti rilevati. Inoltre, il sensore ha dimostrato un’eccellente conduttività, durata e riproducibilità.

La versatilità di questo sensore indossabile ad ampio raggio può essere applicata a una miriade di esigenze biomediche, come nel monitoraggio delle funzioni cardiache o circolatorie, nell’aiuto a soggetti con difficoltà di vocalizzazione o deglutizione, o nella riabilitazione fisica e nella valutazione delle prestazioni atletiche. Può anche essere utilizzato in applicazioni creative come il miglioramento della comunicazione per coloro che lavorano in ambienti rumorosi o nel monitoraggio delle condizioni psicologiche associate alle espressioni facciali.

“I principi di progettazione strutturale dimostrati qui sono un vero progresso nel monitoraggio della salute indossabile”, ha affermato Ali Khademhosseini, Ph.D., Direttore e CEO di TIBI. “Esemplifica il pensiero creativo e lungimirante dei nostri ricercatori nello sviluppo di dispositivi di rilevamento personalizzati”.

 

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