Desarrollan una “piel electrónica” e inteligente para monitorear la salud de las personas

Ingenieros del MIT que trabajan en Corea del Sur han desarrollado una “piel electrónica” a prueba de sudor, un avance en dispositivos inteligentes más cómodos para la vida diaria y deportiva. Se trata de un parche adhesivo adaptable e integrado en un sensor que monitorea la salud de una persona sin fallos de lectura y sin desprenderse, incluso cuando el usuario está sudando.

El parche está modelado con conductos de sudor artificiales, similares a los poros de la piel humana, que los investigadores grabaron a través de las capas ultrafinas del material. Los poros perforan el parche en un patrón similar a un kirigami, similar al del arte japonés del corte de papel. El diseño asegura que el sudor pueda escapar a través del parche, evitando la irritación de la piel y el daño a los sensores integrados.

El diseño de kirigami también ayuda a que el parche se adapte a la piel humana a medida que se estira y se dobla. Esta flexibilidad, junto con la capacidad del material para resistir el sudor, le permite controlar la salud de una persona durante largos períodos de tiempo, lo que no ha sido posible con los diseños anteriores de piel inteligente. Los resultados, publicados en Science Advances, son un paso hacia pieles inteligentes duraderas que pueden rastrear los signos vitales diarios o la progresión del cáncer de piel y otras afecciones. “Con este parche para la piel transpirable y adaptable, no habrá acumulación de sudor, información incorrecta o desprendimiento de la piel”, afirma en un comunicado Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Podemos proporcionar sensores portátiles que pueden realizar un seguimiento constante a largo plazo”.

Los coautores de Kim incluyen al autor principal y postdoctorado del MIT Hanwool Yeon, e investigadores de los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, y el Laboratorio de Investigación de Electrónica, junto con colaboradores del conglomerado de cosméticos Amorepacific y otras instituciones en Corea del Sur.

Un obstáculo sudoroso

El grupo de Kim se especializa en la fabricación de películas semiconductoras flexibles. Los investigadores han sido pioneros en una técnica llamada epitaxia remota, que consiste en cultivar películas semiconductoras ultrafinas de alta calidad en obleas a alta temperatura y pelar selectivamente las películas, que luego pueden combinar y apilar para formar sensores mucho más delgados y flexibles que las obleas convencionales diseños basados en. Recientemente, su trabajo llamó la atención de la compañía de cosméticos Amorepacific, que estaba interesada en desarrollar una cinta delgada para llevar para monitorear continuamente los cambios en la piel. La compañía entabló una colaboración con Kim para convertir las películas semiconductoras flexibles del grupo en algo que pudiera usarse durante largos períodos de tiempo.

Pero el equipo pronto se enfrentó a una barrera que otros diseños de e-skin aún tienen que despejar: el sudor. La mayoría de los diseños experimentales incorporan sensores en materiales adhesivos a base de polímeros que no son muy transpirables. Otros diseños, hechos de nanofibras tejidas, pueden dejar pasar el aire, pero no sudar. Si una piel electrónica funcionara a largo plazo, Kim se dio cuenta de que tendría que ser permeable no solo al vapor sino también al sudor.

“El sudor se puede acumular entre la piel electrónica y la piel, lo que podría causar daños en la piel y mal funcionamiento del sensor”, dice Kim. “Así que intentamos abordar estos dos problemas al mismo tiempo, permitiendo que el sudor penetre a través de la piel electrónica”.

Haciendo el corte

En busca de inspiración para el diseño, los investigadores observaron los poros de sudor humanos. Descubrieron que el diámetro del poro promedio mide alrededor de 100 micrones y que los poros se distribuyen aleatoriamente por toda la piel. Hicieron algunas simulaciones iniciales para ver cómo podían superponerse y organizar los poros artificiales, de una manera que no bloqueara los poros reales de la piel humana.

“Nuestra idea simple es que, si proporcionamos conductos de sudor artificiales en la piel electrónica y hacemos caminos altamente permeables para el sudor, podemos lograr una monitorización a largo plazo”, explica Yeon. Comenzaron con un patrón periódico de agujeros, cada uno del tamaño de un poro de sudor real. Descubrieron que si los poros estuvieran muy juntos, a una distancia menor que el diámetro promedio de un poro, el patrón en su conjunto permearía el sudor de manera eficiente. Pero también encontraron que si este simple patrón de agujeros se grababa a través de una película delgada, la película no era muy elástica y se rompía fácilmente cuando se aplicaba a la piel.

Los investigadores descubrieron que podían aumentar la fuerza y la flexibilidad del patrón de agujeros cortando canales delgados entre cada agujero, creando un patrón de mancuernas repetidas, en lugar de agujeros simples, que relajaba la tensión, en lugar de concentrarla en un solo lugar. Este patrón, cuando se graba en un material, crea un efecto estirable similar al de un kirigami. “Si envuelves un trozo de papel sobre una pelota, no se adapta”, dice Kim. “Pero si cortas un patrón de kirigami en el papel, podría ajustarse. Entonces pensamos, ¿por qué no conectar los agujeros con un corte, para tener una conformabilidad similar a kirigami en la piel? Al mismo tiempo, podemos impregnar el sudor”.

Siguiendo este razonamiento, el equipo fabricó una piel electrónica a partir de múltiples capas funcionales, cada una de las cuales grabó con poros con dibujos de pesas. Las capas de la piel comprenden una matriz de sensores con patrones de semiconductores ultrafinos para controlar la temperatura, la hidratación, la exposición a los rayos ultravioleta y la tensión mecánica. Esta matriz de sensores está intercalada entre dos películas protectoras delgadas, todas las cuales se superponen con un adhesivo de polímero pegajoso.

“La piel electrónica es como la piel humana: muy elástica y suave, y el sudor puede atravesarla”, dice Yeon. Los investigadores probaron la piel electrónica pegándola a la muñeca y la frente de un voluntario. El voluntario usó la cinta continuamente durante una semana. A lo largo de este período, el nuevo e-skin midió de manera confiable su temperatura, niveles de hidratación, exposición a los rayos UV y pulso, incluso durante actividades que inducen el sudor, como correr en una cinta de correr durante 30 minutos y consumir una comida picante.

El diseño del equipo también se ajustaba a la piel, se pegaba a la frente del voluntario cuando se le pedía que frunciera el ceño repetidamente mientras sudaba profusamente, en comparación con otros diseños de piel electrónica que carecían de permeabilidad al sudor y se despegaban fácilmente de la piel. Kim planea mejorar la resistencia y durabilidad del diseño. Si bien la cinta es permeable al sudor y muy adaptable, gracias a su patrón kirigami, es este mismo patrón, junto con la forma ultrafina de la cinta, lo que la hace bastante frágil a la fricción. Como resultado, los voluntarios tuvieron que usar una funda alrededor de la cinta para protegerla durante actividades como la ducha.

“Debido a que la piel electrónica es muy suave, puede dañarse físicamente”, dice Yeon. “Nuestro objetivo es mejorar la resiliencia de la piel electrónica”.

Con información del MIT

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