La pelle intelligente resistente al sudore prende bio-elementi affidabili, anche durante gli allenamenti e i pasti caldi

Ingegneri e ricercatori del Massachusetts Institute of Technology in Corea del Sud hanno sviluppato una “pelle elettronica” anti-sudore, un cerotto appiccicoso attaccato a un sensore che monitora la salute di una persona senza desquamazione o desquamazione, anche quando chi lo indossa sta sudando.

Il cerotto è decorato con canali di sudore artificiali, simili ai pori della pelle umana, che i ricercatori hanno perforato attraverso strati estremamente sottili del materiale. I pori perforano la toppa con un motivo simile al kirigami, simile all’arte giapponese del taglio della carta. Il design assicura che il sudore possa filtrare attraverso il cerotto, prevenendo irritazioni della pelle e danni ai sensori integrati.

Il design kirigami aiuta anche il cerotto a conformarsi alla pelle umana perché si allunga e si piega. Questa flessibilità, combinata con la capacità del materiale di resistere al sudore, consente di monitorare la salute di una persona per lunghi periodi di tempo, cosa che non era possibile con i precedenti modelli di “pelle elettronica”. Risultati pubblicati oggi in progresso scientifico, è un passo verso skin intelligenti di lunga durata che possono monitorare i parametri vitali quotidiani o lo sviluppo del cancro della pelle e di altre condizioni.

“Con questo cerotto traspirante, non ci sarà accumulo di sudore, disinformazione o separazione della pelle”, afferma Jie Hwan Kim, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT. “Possiamo fornire sensori indossabili in grado di eseguire un monitoraggio continuo a lungo termine”.

I coautori di Kim includono l’autore principale e ricercatore post-dottorato presso il MIT Hanwool Yeon, ricercatori nei dipartimenti di ingegneria meccanica, scienza e ingegneria dei materiali del MIT e il laboratorio di ricerca elettronica, insieme a collaboratori del gruppo Amorepacific Cosmetics e altre istituzioni in tutta la Corea del Sud. .

Il gruppo Kim è specializzato nella produzione di pellicole semiconduttori flessibili. I ricercatori hanno ideato una tecnica chiamata epitassia remota, che prevede la crescita di film semiconduttori ultrasottili e di alta qualità su wafer ad alta temperatura e l’esfoliazione selettiva dei film, che possono quindi combinare e impilare per formare sensori molto più sottili e flessibili. rispetto ai tradizionali design a base di wafer.

Di recente, il loro lavoro ha attirato l’attenzione dell’azienda cosmetica Amorepacific, interessata allo sviluppo di un nastro sottile e indossabile per monitorare costantemente i cambiamenti della pelle. La società ha collaborato con Kim per progettare le pellicole da collezione flessibili e semiconduttive in qualcosa che può essere indossato per lunghi periodi di tempo.

Ma il team si è presto imbattuto in una barriera che altri progetti di e-skin non avevano eliminato: il sudore. La maggior parte dei progetti sperimentali include sensori in materiali polimerici viscosi ed ermetici. Altri modelli di nanofibre tessute possono consentire il passaggio dell’aria, ma non il sudore. Se l’e-skin doveva funzionare a lungo termine, Kim si rese conto che doveva essere permeabile non solo al vapore ma anche al sudore.

“Il sudore può accumularsi tra l’e-skin e la pelle, causando danni alla pelle e malfunzionamento del sensore”, afferma Kim. Quindi abbiamo cercato di affrontare questi due problemi allo stesso tempo, permettendo al sudore di permeare l’e-skin.

Per trarre ispirazione dal design, i ricercatori hanno esaminato i pori del sudore umano. Hanno scoperto che il diametro medio dei pori misurava circa 100 micron e che i pori erano distribuiti casualmente su tutta la pelle. Hanno eseguito alcune simulazioni iniziali per vedere come sovrapporre e disporre i pori artificiali, in modo da non ostruire i pori reali della pelle umana.

“La nostra semplice idea è che, se forniamo canali artificiali del sudore nell’e-skin e creiamo percorsi del sudore altamente permeabili, possiamo ottenere un potenziale di monitoraggio a lungo termine”, spiega Yun.

Hanno iniziato con uno schema periodico di fori, ciascuno delle dimensioni di un vero e proprio poro di sudore. Hanno scoperto che se i pori fossero distanziati, a una distanza inferiore al diametro medio dei pori, il modello nel suo insieme sarebbe permeato in modo efficiente. Ma hanno anche scoperto che se questo semplice schema di fori veniva praticato attraverso un film sottile, il film non era estensibile e poteva rompersi facilmente quando applicato sulla pelle.

I ricercatori hanno scoperto che potevano aumentare la forza e la flessibilità dello schema dei fori tagliando sottili canali tra ciascun foro, creando uno schema di manubri ripetitivi, piuttosto che semplici fori, che rilassano lo stress, piuttosto che concentrarlo in un punto. Questo motivo, quando inciso in un materiale, crea un effetto elastico simile al kirigami.

“Se fai rotolare un pezzo di carta su una palla, non si adatta”, dice Kim. “Ma se tagli un motivo kirigami su carta, può corrispondere. Quindi abbiamo pensato, perché non allineare i fori con i pezzi, per ottenere una vestibilità simile al kirigami sulla pelle? Allo stesso tempo possiamo penetrare il sudore”.

Secondo questo ragionamento, il team ha realizzato una e-skin da più strati funzionali, ciascuno scolpito con pori a forma di manubrio. Gli strati della pelle sono costituiti da una serie di sensori a semiconduttore ultrasottili per monitorare la temperatura, l’idratazione, l’esposizione ai raggi UV e lo stress meccanico. Questo gruppo di sensori è inserito tra due sottili membrane protettive, tutte ricoperte da un adesivo polimerico.

“L’e-skin è come la pelle umana: è molto flessibile e morbida e il sudore può permeare attraverso di essa”, afferma Yoon.

I ricercatori hanno testato l’e-skin attaccandola al polso e alla fronte del volontario. Il volontario ha indossato il nastro continuamente per una settimana. Durante tutto questo periodo, la nuova pelle elettronica ha misurato in modo affidabile la sua temperatura, i livelli di idratazione, l’esposizione ai raggi UV e il polso, anche durante attività che inducono il sudore, come correre sul tapis roulant per 30 minuti e mangiare un pasto caldo.

Il design del team è anche compatibile con la pelle, tenendosi sulla fronte del volontario mentre gli è stato ripetutamente chiesto di accigliarsi mentre sudava copiosamente, rispetto ad altri modelli di e-skin che mancano di permeabilità e si separano facilmente dalla pelle.

Kim prevede di migliorare la resistenza e la durata del design. Sebbene il nastro sia permeabile al sudore e altamente cedevole, grazie alla goffratura kirigami, è lo stesso motivo, abbinato alla forma sottile del nastro, che lo rende molto fragile all’attrito. Di conseguenza, i volontari hanno dovuto indossare un involucro attorno al nastro per proteggerlo durante attività come la doccia.

“Poiché l’e-skin è così morbida, può essere danneggiata fisicamente”, afferma Yoon. “Il nostro obiettivo è migliorare l’elasticità dell’e-skin”.

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Questa ricerca è stata supportata da Amorepacific.

Di Jennifer Chu, MIT News Desk