Engenheiros fabricam uma “pele” eletrônica sem fio e sem chip: o dispositivo detecta e transmite sem fio sinais relacionados a pulso, suor e exposição ultravioleta, sem chips ou baterias volumosos

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Os engenheiros do MIT fabricaram uma “pele” eletrônica sem fio e sem chip. O dispositivo detecta e transmite sem fio sinais relacionados ao pulso, suor e exposição ultravioleta, sem chips ou baterias volumosas.
CRÉDITO
Cortesia dos pesquisadores

Abstrato:
Os sensores vestíveis são onipresentes graças à tecnologia sem fio que permite que as concentrações de glicose, pressão arterial, frequência cardíaca e níveis de atividade de uma pessoa sejam transmitidos perfeitamente do sensor para o smartphone para análise posterior.

Os engenheiros fabricam uma “pele” eletrônica sem fio e sem chip: o dispositivo detecta e transmite sem fio sinais relacionados ao pulso, suor e exposição ultravioleta, sem chips volumosos ou baterias

Cambridge, MA | Postado em 19 de agosto de 2022

Atualmente, a maioria dos sensores sem fio se comunica por meio de chips Bluetooth incorporados que são alimentados por pequenas baterias. Mas esses chips e fontes de energia convencionais provavelmente serão muito volumosos para os sensores de próxima geração, que estão assumindo formas menores, mais finas e mais flexíveis.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um novo tipo de sensor vestível que se comunica sem fio sem exigir chips ou baterias a bordo. Seu design, detalhado hoje na revista Science, abre um caminho para sensores sem fio sem chip.

O design do sensor da equipe é uma forma de pele eletrônica, ou “e-skin” – um filme flexível e semicondutor que se adapta à pele como uma fita adesiva eletrônica. O coração do sensor é um filme ultrafino e de alta qualidade de nitreto de gálio, um material conhecido por suas propriedades piezoelétricas, o que significa que pode produzir um sinal elétrico em resposta à tensão mecânica e vibrar mecanicamente em resposta a um impulso elétrico .

Os pesquisadores descobriram que poderiam aproveitar as propriedades piezoelétricas bidirecionais do nitreto de gálio e usar o material simultaneamente para detecção e comunicação sem fio.

Em seu novo estudo, a equipe produziu amostras puras e monocristalinas de nitreto de gálio, que emparelharam com uma camada condutora de ouro para aumentar qualquer sinal elétrico de entrada ou saída. Eles mostraram que o dispositivo era sensível o suficiente para vibrar em resposta ao batimento cardíaco de uma pessoa, bem como ao sal em seu suor, e que as vibrações do material geravam um sinal elétrico que podia ser lido por um receptor próximo. Dessa forma, o dispositivo foi capaz de transmitir informações de sensoriamento sem fio, sem a necessidade de chip ou bateria.

“Os chips exigem muita energia, mas nosso dispositivo pode tornar um sistema muito leve sem ter chips que consomem muita energia”, diz o autor correspondente do estudo, Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica e de ciência e engenharia de materiais. e pesquisador principal do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica.

“Você poderia colocá-lo em seu corpo como um curativo e emparelhado com um leitor sem fio em seu celular, você poderia monitorar seu pulso, suor e outros sinais biológicos sem fio.”

Os coautores de Kim incluem o primeiro autor e ex-pós-doutorado do MIT Yeongin Kim, que agora é professor assistente na Universidade de Cincinnati; co-autor correspondente Jiyeon Han da empresa coreana de cosméticos AMOREPACIFIC, que ajudou a motivar o trabalho atual; membros do Kim Research Group no MIT; e outros colaboradores da Universidade da Virgínia, da Universidade de Washington em St. Louis e de várias instituições na Coreia do Sul.

Ressonância pura

O grupo de Jeehwan Kim desenvolveu anteriormente uma técnica, chamada epitaxia remota, que eles empregaram para crescer rapidamente e descascar semicondutores ultrafinos e de alta qualidade de wafers revestidos com grafeno. Usando esta técnica, eles fabricaram e exploraram vários filmes eletrônicos flexíveis e multifuncionais.

Em seu novo estudo, os engenheiros usaram a mesma técnica para descascar filmes monocristalinos ultrafinos de nitreto de gálio, que em sua forma pura e livre de defeitos é um material piezoelétrico altamente sensível.

A equipe procurou usar um filme puro de nitreto de gálio como sensor e comunicador sem fio de ondas acústicas de superfície, que são essencialmente vibrações entre os filmes. Os padrões dessas ondas podem indicar a frequência cardíaca de uma pessoa ou, ainda mais sutilmente, a presença de certos compostos na pele, como sal no suor.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que um sensor à base de nitreto de gálio, aderido à pele, teria sua própria vibração ou frequência “ressonante” inerente que o material piezoelétrico converteria simultaneamente em um sinal elétrico, cuja frequência um receptor sem fio poderia registrar. Qualquer alteração nas condições da pele, como uma frequência cardíaca acelerada, afetaria as vibrações mecânicas do sensor e o sinal elétrico que ele transmite automaticamente ao receptor.

“Se houver alguma alteração no pulso, ou substâncias químicas no suor, ou mesmo exposição ultravioleta da pele, toda essa atividade pode alterar o padrão das ondas acústicas de superfície no filme de nitreto de gálio”, observa Yeongin Kim. “E a sensibilidade do nosso filme é tão alta que pode detectar essas mudanças.”

Transmissão de ondas

Para testar sua ideia, os pesquisadores produziram um filme fino de nitreto de gálio puro e de alta qualidade e o emparelharam com uma camada de ouro para aumentar o sinal elétrico. Eles depositaram o ouro no padrão de halteres repetidos - uma configuração semelhante a uma treliça que dava alguma flexibilidade ao metal normalmente rígido. O nitreto de gálio e ouro, que eles consideram ser uma amostra de pele eletrônica, mede apenas 250 nanômetros de espessura – cerca de 100 vezes mais fino que a largura de um fio de cabelo humano.

Eles colocaram a nova e-skin nos pulsos e pescoços dos voluntários e usaram uma antena simples, mantida nas proximidades, para registrar sem fio a frequência do dispositivo sem entrar em contato físico com o próprio sensor. O dispositivo foi capaz de detectar e transmitir sem fio alterações nas ondas acústicas de superfície do nitreto de gálio na pele dos voluntários relacionadas à frequência cardíaca.

A equipe também emparelhou o dispositivo com uma fina membrana de detecção de íons - um material que atrai seletivamente um íon alvo e, neste caso, o sódio. Com esse aprimoramento, o dispositivo pode detectar e transmitir sem fio os níveis de sódio alterados enquanto um voluntário segurava uma almofada de calor e começava a suar.

Os pesquisadores veem seus resultados como um primeiro passo para sensores sem fio sem chip e imaginam que o dispositivo atual pode ser emparelhado com outras membranas seletivas para monitorar outros biomarcadores vitais.

“Mostramos a detecção de sódio, mas se você alterar a membrana de detecção, poderá detectar qualquer biomarcador alvo, como glicose ou cortisol relacionado aos níveis de estresse”, diz o coautor e pós-doutorando do MIT Jun Min Suh. “É uma plataforma bastante versátil.”

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Esta pesquisa foi apoiada por AMOREPACIFIC.

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Contactos:
Sarah McDonnell
Massachusetts Institute of Technology
Escritório: 617-253-8923
Cell: 617-460-9583

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