Capteurs cutanés invisibles et écologiques inspirés de la soie d'araignée

Andrew Corselli

Capteurs imprimés sur des doigts humains. (Image : Huang Lab, Cambridge)

Des chercheurs ont développé une méthode pour créer des capteurs adaptatifs et écologiques qui peuvent être imprimés directement et imperceptiblement sur une large gamme de surfaces biologiques, que ce soit un doigt ou un pétale de fleur.

La méthode, développée par des chercheurs de l'Université de Cambridge, s'inspire de la soie d'araignée, qui peut se conformer et adhérer à une gamme de surfaces. Ces « soies d'araignée » incorporent aussi de la bioélectronique, de sorte que différentes capacités de détection peuvent être ajoutées à la « toile ».

« L'un des plus grands défis était de sortir des méthodes de fabrication existantes et de proposer un mécanisme de filage pour produire les fibres capteurs », a déclaré la directrice de recherche et professeure Yan Yan Shery Huang à Tech Briefs dans une interview exclusive.

Les fibres, au moins 50 fois plus fines qu'un cheveu humain, sont si légères que les chercheurs les ont imprimées directement sur la tête duveteuse d'un pissenlit sans en effondrer la structure. Imprimées sur la peau humaine, les fibres capteurs se conforment à la peau et exposent les pores de sueur, si bien que le porteur ne détecte pas leur présence. Des tests des fibres imprimées sur un doigt humain suggèrent qu'elles pourraient être utilisées comme moniteurs de santé continus.

« L'idée initiale était inspirée par la combinaison de peaux électroniques et de soies d'araignée », ajoute Huang.

Cette méthode à faible déchet et faible émission pour augmenter les structures vivantes pourrait être utilisée dans une gamme de domaines, de la santé et réalité virtuelle aux textiles électroniques et surveillance environnementale. Les résultats sont publiés dans Nature Electronics.

« D'abord, une solution aqueuse composée de particules conductrices, d'acide hyaluronique et d'un polymère liant est réalisée », explique Huang sur le procédé. « Cette solution est ensuite introduite dans une pointe de seringue, où une minuscule goutte pendante est créée à l'extrémité. Un bras rotatif entre alors en contact avec la goutte pendante, qui l'étire en une fibre capteur. »

Bien que la peau humaine soit remarquablement sensible, l'augmenter avec des capteurs électroniques pourrait fondamentalement changer la façon dont nous interagissons avec le monde autour de nous. Par exemple, des capteurs imprimés directement sur la peau pourraient être utilisés pour la surveillance de santé continue, pour comprendre les sensations cutanées, ou pourraient améliorer la sensation de « réalité » dans les applications de jeu ou réalité virtuelle.

Alors que les technologies portables avec capteurs intégrés, comme les montres connectées, sont largement disponibles, ces dispositifs peuvent être inconfortables, intrusifs et inhiber les sensations intrinsèques de la peau.

Il existe de multiples méthodes pour fabriquer des capteurs portables, mais toutes ont des inconvénients. L'électronique flexible, par exemple, est normalement imprimée sur des films plastiques qui ne laissent pas passer gaz ni humidité, ce qui serait comme envelopper votre peau dans un film alimentaire. D'autres chercheurs ont récemment développé de l'électronique flexible perméable aux gaz, comme des peaux artificielles, mais celles-ci interfèrent encore avec la sensation normale et reposent sur des techniques de fabrication énergivores et génératrices de déchets.

L'impression 3D est une autre voie potentielle pour la bioélectronique car elle est moins gaspilleuse que d'autres méthodes de production, mais conduit à des dispositifs plus épais qui peuvent interférer avec le comportement normal. Le filage de fibres électroniques résulte en des dispositifs imperceptibles pour l'utilisateur, mais n'ont pas un haut degré de sensibilité ou de sophistication, et sont difficiles à transférer sur l'objet en question.

Maintenant, l'équipe dirigée par Cambridge a développé une nouvelle façon de fabriquer de la bioélectronique haute performance qui peut être personnalisée pour une large gamme de surfaces biologiques, du bout des doigts à la tête duveteuse d'un pissenlit, en les imprimant directement sur cette surface. Leur technique s'inspire en partie des araignées, qui créent des structures de toile sophistiquées et solides adaptées à leur environnement, en utilisant un minimum de matériau.

Les chercheurs ont filé leur « soie d'araignée » bioélectronique à partir de PEDOT:PSS (un polymère conducteur biocompatible), d'acide hyaluronique et d'oxyde de polyéthylène. Les fibres haute performance ont été produites à partir d'une solution aqueuse à température ambiante, ce qui a permis aux chercheurs de contrôler la « filabilité » des fibres. Les chercheurs ont ensuite conçu une approche de filage orbital pour permettre aux fibres de s'adapter aux surfaces vivantes, même jusqu'aux microstructures comme les empreintes digitales.

Des tests des fibres bioélectroniques, sur des surfaces incluant des doigts humains et des têtes de pissenlit, ont montré qu'elles offraient une performance de capteur de haute qualité tout en étant imperceptibles pour l'hôte.

« L'étape immédiate suivante est d'établir des scénarios basés sur l'application, pour déterminer quelle partie du système capteur devrait être faite avec des fibres imperceptibles, et le reste peut utiliser des dispositifs microfabriqués/é-textiles existants », note Huang.