Comodi estensimetri possono essere posizionati direttamente sulla pelle umana per monitorare l'attività di movimento continuo con applicazioni diffuse in robotica, rilevamento del movimento umano, e la cura della salute personale. Però, è difficile sviluppare un estensimetro sulla pelle per monitorare i movimenti del corpo umano a lungo termine senza disturbare il movimento naturale della pelle. In un nuovo rapporto ora su Progressi scientifici , Yan Wang, e un team di scienziati in ingegneria elettrica presso l'Università di Tokyo e il Center for Emergent Matter Science in Giappone ha presentato un estensimetro nanomesh ultrasottile e durevole. Il dispositivo ha consentito l'attività di movimento continuo per ridurre al minimo i vincoli meccanici sul movimento naturale della pelle. Hanno progettato il dispositivo utilizzando nanomesh rinforzate in poliuretano-polidimetilsilossano (PU-PDMS) per un'eccellente sostenibilità e durata. La geometria e la morbidezza del dispositivo hanno fornito un'interferenza meccanica minima per le naturali deformazioni della pelle. Durante le prove vocali, ad esempio, la faccia con nanomesh ha mostrato una mappatura della deformazione cutanea simile alla pelle naturale senza nanomesh. Wang et al. ha dimostrato la mappatura facciale a lungo termine per rilevare in tempo reale, movimenti stabili del corpo con sensori nanomesh legati alla superficie.

Ingegnerizzare una nanorete

L'elettronica indossabile per applicazioni sulla pelle è progettata per essere sottile, morbido e resistente da integrare con la pelle umana per applicazioni continue a lungo termine. Gli estensimetri hanno suscitato un notevole interesse nella bioingegneria grazie alle loro applicazioni nelle interfacce uomo-macchina per la diagnostica sanitaria. È possibile applicare estensimetri morbidi e ad alta precisione per misurare continuamente la funzione degli organi biologici. Però, hanno meccanismi più semplici per generare cambiamenti elettrici ripetitivi dopo deformazione meccanica, per applicazioni che interfacciano sistemi biologici. I dispositivi richiedono solo un'elevata conformità meccanica, flessibilità, sensibilità e biocompatibilità per un funzionamento ottimale. In questo lavoro, Wang et al. ha sviluppato un estensimetro nanomesh ultrasottile e durevole per rilevare il movimento umano riducendo al minimo i vincoli meccanici sulla pelle naturale. Hanno usato PU-PDMS (poliuretano-polidimetilsilossano) per progettare le nanomesh con un peso ultraleggero di 0,12 mg/cm ² e straordinaria durata meccanica per applicazioni di allungamento e rilascio ad alto numero di cicli. Il team ha utilizzato la configurazione per mappare con successo lo sforzo della pelle del viso durante il parlato fino a 3,5 ore con un'interferenza meccanica minima dopo l'usura a lungo termine.

Durante gli esperimenti, il team ha prima realizzato nanofibre di PU (poliuretano) elettrofilate per creare lunghe, fibre simili a capelli per formare la spina dorsale del sensore nanomesh permeabile. Nel passaggio successivo, hanno immerso il foglio di nanofibre PU in una soluzione diluita di PDMS (polidimetilsilossano) per le nanofibre per formare fasci casuali circondati da PDMS. Wang et al. sottoposto il materiale a una leggera esposizione all'ozono ultravioletto (UV) per polimerizzare la superficie e facilitare l'idrofilia superficiale (natura amante dell'acqua) per la biocompatibilità. Hanno completato il dispositivo utilizzando la deposizione di oro su entrambi i lati e hanno osservato la guaina del nucleo PU-PDMS risultante utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM). Il rivestimento PDMS ha migliorato l'interconnettività tra le nanofibre per una migliore integrità strutturale dei costrutti. La resistenza meccanica risultante della nanorete PU-PDMS indipendente è migliorata notevolmente con una maggiore elasticità rispetto al foglio di nanofibra nudo e il team ha anche esaminato la sua permeabilità ai gas.

Elasticità e sensibilità programmabili

Wang et al. ha progettato in modo efficace diverse strutture di nanomesh variando la concentrazione di PDMS per ottenere estensimetri a nanomesh con diverse sensibilità ed elasticità. Però, tutti i dispositivi hanno mantenuto distribuzioni delle dimensioni dei pori simili rispetto alla loro struttura porosa. Gli scienziati hanno definito il fattore di misura (GF) o sensibilità alla deformazione come il rapporto tra la variazione frazionaria della resistenza elettrica e la variazione frazionaria della lunghezza. Diverse strutture a rete hanno mostrato diverse capacità di elasticità e fattori di spessore. Durante lo stiramento uniassiale, la resistenza di ciascun dispositivo è aumentata con velocità diverse. Diluendo la soluzione PDMS, hanno programmato efficacemente gli estensimetri a nanomesh con diverse elasticità e sensibilità. A ceppi più elevati oltre l'intervallo di tolleranza, le mesh PU-PDMS disconnesse per causare la rottura della nanomesh, mentre la struttura nanomesh potrebbe essere mantenuta rilasciando il ceppo.

Sostenibilità elettromeccanica, affidabilità e durata dei sensori nanomesh PU-PDMS

Per comprendere la sostenibilità dei dispositivi, il team di ricerca ha applicato una sollecitazione del 40% sul dispositivo per 12 ore. Hanno quindi eseguito test ciclici per studiare la durabilità meccanica del costrutto e hanno notato una leggera isteresi nella resistenza nelle prime centinaia di cicli a causa delle proprietà meccaniche del PDMS. La resistenza del foglio della nanomesh PU-PDMS era stabile sotto 100 giorni di conservazione in condizioni ambientali grazie alla sua superficie inerte d'oro, che indica una lunga durata di conservazione, adatto per applicazioni pratiche. Gli scienziati hanno condotto test di durata per i sensori nanomesh utilizzando costrutti progettati con diversi scaffold in nanofibre tra cui alcol polivinilico (PVA), solo poliuretano (PU) e PU con rivestimento in parylene. Rispetto alle altre tre nanomesh che non hanno funzionato in modo così efficace, le nanomesh PU-PDMS hanno mostrato una deformazione ciclica uniforme durante 100 cicli.

Dopo aver collegato il dispositivo nanomesh alla pelle umana, il team ha spruzzato la superficie con acqua nebulizzata per un'aderenza stabile. Il contatto era appena percettibile per il soggetto che indossava i sensori nanomesh durante l'esperimento. Wang et al. sensori nanomesh collegati sul lato destro del viso e marcatori rettangolari neri posizionati sul lato sinistro come riferimento. Quando il soggetto del test ha articolato le lettere "a, " "o" e "tu, " i ceppi più alti registrati per i pennarelli neri variavano tra il 17,5 e il 25%, mentre quelli registrati per i sensori nanomesh erano dal 18,3 al 23,6%. I risultati della mappatura della deformazione hanno quindi mostrato una distribuzione simmetrica della deformazione cutanea sul lato destro e sinistro del viso, evidenziando i vincoli meccanici minimi dei dispositivi su scala nanometrica sulla pelle durante il discorso. Le nanomaglie conformabili possono essere indossate per 3,5 ore senza disagio.

Il team ha quindi esteso gli esperimenti per rilevare sottili deformazioni della pelle sul polso umano indotte dal polso. Hanno premuto delicatamente l'arteria radiale del polso umano collegato con un sensore a nanomaglia e hanno rilevato l'ampiezza e la frequenza in tempo reale, il dispositivo può essere utilizzato per monitorare i segnali prima e dopo l'esercizio fisico. La struttura ha mantenuto una maggiore elasticità lineare per rilevare ampi movimenti di flessione articolare con un'eccellente compliance per prevenire la rottura o il distacco dalla pelle. Il sensore di deformazione ha mantenuto un'efficace funzionalità anche dopo 10, 000 cicli di flessione/rilassamento per dimostrare la sua integrità strutturale e conformabilità tra la pelle e il dispositivo.

In questo modo, il PU-PDMS (poliuretano-polidimetilsilossano) ultra-morbido, le nanomesh multistrato sviluppate in questo lavoro erano più sottili e più elastiche rispetto al lavoro precedente condotto dallo stesso team. I costrutti hanno mostrato una notevole durata e sostenibilità durante i test di allungamento ciclico. La durata meccanica era una caratteristica fondamentale per i test di monitoraggio della pelle ad alta precisione a lungo termine in tempo reale. I sensori nanomesh sono adatti per una vasta gamma di applicazioni pratiche, tra cui il monitoraggio remoto della salute personale, monitoraggio delle prestazioni sportive di resistenza e come protesi di interfaccia pelle-macchina. Wang et al. suggerire di sostituire il rivestimento superficiale dorato con nanomateriali conduttivi più convenienti per costruire in futuro l'elettronica nanomesh. Gli scienziati prevedono che questi costrutti diventeranno applicabili come elettronica futuristica sulla pelle/impiantabile per le attività quotidiane di monitoraggio sanitario.

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