Capteurs invisibles et écologiques montés sur la peau inspirés de Spider Silk

Andrew Corselli Capteurs imprimés sur des doigts humains. (Image :Laboratoire Huang, Cambridge)

Les chercheurs ont développé une méthode pour fabriquer des capteurs adaptatifs et respectueux de l'environnement qui peuvent être imprimés directement et imperceptiblement sur une large gamme de surfaces biologiques, qu'il s'agisse d'un doigt ou d'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 diverses surfaces. Ces « soies d'araignées » intègrent également la bioélectronique, de sorte que différentes capacités de détection peuvent être ajoutées au « Web ».

"L'un des plus grands défis était de sortir des méthodes de fabrication existantes et de trouver un mécanisme de rotation pour produire les capteurs à fibre", a déclaré le professeur Yan Yan Shery Huang, responsable de la recherche, à Tech Briefs. dans une interview exclusive.

Les fibres, au moins 50 fois plus petites qu'un cheveu humain, sont si légères que les chercheurs les ont imprimées directement sur la graine duveteuse d'un pissenlit sans effondrer sa structure. Lorsqu’ils sont imprimés sur la peau humaine, les capteurs à fibres s’adaptent à la peau et exposent les pores sudoripares afin que l’utilisateur ne détecte pas leur présence. Les tests des fibres imprimées sur un doigt humain suggèrent qu'elles pourraient être utilisées comme moniteurs de santé continus.

"L'idée initiale était en quelque sorte inspirée par la combinaison de peaux électroniques et de soies d'araignées", a ajouté Huang.

Cette méthode à faibles déchets et à faibles émissions pour augmenter les structures vivantes pourrait être utilisée dans de nombreux domaines, des soins de santé et de la réalité virtuelle aux textiles électroniques et à la surveillance de l'environnement. Les résultats sont rapportés dans le Nature Electronics   .

"Tout d'abord, une solution aqueuse composée de particules conductrices, d'acide hyaluronique et d'un liant polymère est préparée", a expliqué Huang à propos du processus. "Cette solution est ensuite introduite dans l'embout d'une seringue, où une petite goutte pendante est créée à l'extrémité. Un bras rotatif entre ensuite en contact avec la goutte pendante, qui étire la goutte dans une fibre de détection. "

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

Bien que les technologies portables avec capteurs intégrés, telles que les montres intelligentes, soient largement disponibles, ces appareils peuvent être inconfortables, envahissants et inhiber les sensations intrinsèques de la peau.

Il existe plusieurs méthodes pour fabriquer des capteurs portables, mais elles présentent toutes des inconvénients. Les composants électroniques flexibles, par exemple, sont normalement imprimés sur des films plastiques qui ne laissent pas passer le gaz ou l’humidité, ce serait donc comme envelopper votre peau dans un film alimentaire. D'autres chercheurs ont récemment développé des composants électroniques flexibles et perméables aux gaz, comme les peaux artificielles, mais qui interfèrent néanmoins avec les sensations normales et s'appuient sur des techniques de fabrication à forte intensité d'énergie et de déchets.

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

Aujourd’hui, l’équipe dirigée par Cambridge a développé une nouvelle façon de fabriquer des produits bioélectroniques hautes performances qui peuvent être personnalisés sur un large éventail de surfaces biologiques, du bout du doigt à la graine 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 matériaux.

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 hautes performances ont été produites à partir d’une solution à base d’eau 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 se transformer en surfaces vivantes, même jusqu'à des microstructures telles que des empreintes digitales.

Les tests des fibres bioélectroniques, sur des surfaces telles que les doigts humains et les graines de pissenlit, ont montré qu'elles offraient des performances de capteur de haute qualité tout en étant imperceptibles pour l'hôte.

"La prochaine étape immédiate consiste à établir des scénarios basés sur des applications, pour déterminer quelle partie du système de capteurs doit être fabriquée avec des fibres imperceptibles, et le reste peut utiliser des dispositifs microfabriqués/e-textiles existants", a noté Huang.