Il gruppo di ricerca Sihong Wang si concentra sullo sviluppo di materiali polimerici morbidi e dispositivi in grado di fondere l'elettronica con i sistemi biologici. Credito:Sihong Wang
L'elettronica simile alla pelle potrebbe integrarsi perfettamente con il corpo per applicazioni nel monitoraggio della salute, nella terapia farmacologica, nei dispositivi medici impiantabili e negli studi biologici.
Con l'aiuto del Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation, Sihong Wang, un assistente professore di ingegneria molecolare presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, ha ottenuto i brevetti per gli elementi costitutivi di questi nuovi dispositivi.
Attingendo all'innovazione nei campi della fisica dei semiconduttori, della meccanica dei solidi e delle scienze energetiche, questo lavoro include la creazione di semiconduttori polimerici estensibili e array di transistor, che forniscono prestazioni elettriche eccezionali, elevate proprietà semiconduttive ed estensibilità meccanica. Inoltre, Wang ha sviluppato nanogeneratori triboelettrici come nuova tecnologia per la raccolta di energia dal movimento di un utente e ha progettato il processo di accumulo di energia associato.
L'obiettivo è combinare questi progressi per sviluppare dispositivi che potrebbero aderire alla pelle di un utente o all'interno del corpo per rilevare i segnali vitali in tempo reale "molto più" efficacemente rispetto alle opzioni attualmente disponibili, ha affermato Wang, aggiungendo che questo lavoro è stato tra i aree in più rapida evoluzione nella scienza dei materiali e nell'ingegneria elettronica.
"Negli ultimi dieci anni, questa direzione generale di sviluppo di elettronica che può lavorare più intimamente con il corpo umano ha davvero attirato molta attenzione da parte del mondo accademico e industriale", ha affermato Wang. "Perché le persone hanno visto il grande divario e anche la grande opportunità qui di avere l'elettronica che funziona per il corpo umano in un modo più intimo".
Cogliendo questa opportunità, Wang sta portando la sua ricerca in diverse direzioni. "Abbiamo creato una nuova struttura e depositato un brevetto tramite Polsky sulla base dei nostri sviluppi per un nuovo tipo di sensore di pressione, che può allungarsi in modo simile alla pelle ma non ha un cambiamento nelle prestazioni", ha spiegato Wang.
Lavorando con i colleghi Stacy Lindau, MD, MA, professore di ostetricia e ginecologia e medicina-geriatria e direttore di un laboratorio di ricerca nella divisione di scienze biologiche, e Sliman Bensmaia, James e Karen Frank Family Professor of Organismal Biology and Anatomy, Wang è utilizzando questo sensore per creare un sistema neuroprotesico che verrebbe impiantato sotto la pelle dei pazienti con mastectomia. Chiamato Bionic Breast Project, l'obiettivo è ripristinare la sensazione nella zona del seno.
"Tali sensori possono funzionare in modo simile ai recettori di rilevamento nel seno per rilevare il contatto/movimento fisico, convertendolo in un segnale elettrico", ha affermato Wang.
Questi sensori potrebbero anche essere utilizzati per sviluppare la cosiddetta pelle elettronica per la robotica morbida, dando loro la capacità di percepire e percepire in modi nuovi. Nei prossimi cinque anni, tuttavia, Wang ha affermato di aspettarsi che le applicazioni più immediate di questo lavoro sarebbero per un dispositivo che estrae diversi tipi di segnali dal corpo, come il polso e la pressione sanguigna. E stanno facendo proprio questo.
Guardando al futuro, l'obiettivo è rilevare i segnali provenienti da diversi biomarcatori nel sudore.
"Nella pratica medica attuale l'unico modo per ottenere un pannello di informazioni biochimiche è attraverso un esame del sangue, che non è solo invasivo ma non istantaneo", ha osservato Wang. "Questo sarebbe un altro grande punto di svolta per il modo in cui tutti possono ottenere il proprio stato di salute in un modo molto più efficace e frequente". Wang ha recentemente pubblicato i primi due lavori che delineano la strategia per ottenere biosensori estensibili con elevata sensibilità e selettività.
Display estensibili ed elaborazione dei dati sul corpo con l'IA
Un altro componente fondamentale dei dispositivi skin-like è un display flessibile per comunicare con gli utenti. Per questo, Wang e il suo gruppo hanno sviluppato un altro nuovo importante tipo di materiale:i polimeri elettroluminescenti. Altamente efficiente, il polimero emette luce brillante e mantiene le prestazioni mentre è allungato.
A completamento del lavoro, il team sta anche esplorando la combinazione dei dispositivi con l'intelligenza artificiale (AI).
"Pensiamo al futuro, il successo dei dispositivi indossabili sarà nella loro capacità di estrarre e monitorare continuamente le informazioni sulla salute dal corpo umano", ha affermato Wang. "Quindi i dati generati saranno veramente 'big data' rispetto a oggi, avendo solo istantanee di un rapporto di prova".
Come per tutti i set di dati, la domanda successiva è come analizzare ed estrarre informazioni utili sulla salute in modo efficace e con un elevato throughput.
"Stiamo cercando di sviluppare un nuovo tipo di dispositivo informatico e piattaforma in grado di implementare in modo davvero efficiente l'intelligenza artificiale o l'algoritmo di apprendimento automatico direttamente sulla pelle o sul corpo senza fare affidamento sullo spostamento o la trasmissione di informazioni in modalità wireless a una posizione di elaborazione centrale, come il cloud", ha spiegato Wang. "L'analisi può essere molto più veloce e non si corre il rischio di perdere informazioni sanitarie molto private da quelle trasmissioni wireless".
La piattaforma informatica basata su semiconduttori è un "computer di rete neurale", ispirato da come funziona il cervello.
"In definitiva, possiamo aiutare a raggiungere la medicina di precisione", ha affermato Wang. "Per ogni individuo i dati raccolti dal dispositivo possono essere analizzati attraverso un programma personalizzato che ti fornisce le cose più utili ed efficaci da fare, fornendo un intervento a circuito chiuso per controllare la tua salute".
Alla fine, l'obiettivo è creare qualcosa che imiti il cervello umano non solo nelle proprietà meccaniche ma anche nel modo in cui funziona e opera. "Nel complesso, fino ad ora l'IA è stata più un ambito di ricerca informatica", ha detto Wang. "Ma per noi scienziati dei materiali, stiamo lavorando su questo da un'angolazione diversa."
La ricerca appare in Materiali avanzati e Materia . + Esplora ulteriormente
