L'électronique semblable à la peau pourrait s'intégrer de manière transparente au corps pour des applications dans la surveillance de la santé, la thérapie médicamenteuse, les dispositifs médicaux implantables et les études biologiques.

Avec l'aide du Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation, Sihong Wang, professeur adjoint d'ingénierie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago, a obtenu des brevets pour les éléments constitutifs de ces nouveaux dispositifs.

S'appuyant sur l'innovation dans les domaines de la physique des semi-conducteurs, de la mécanique des solides et des sciences de l'énergie, ce travail comprend la création de semi-conducteurs polymères extensibles et de matrices de transistors, qui offrent des performances électriques exceptionnelles, des propriétés semi-conductrices élevées et une extensibilité mécanique. De plus, Wang a développé des nanogénérateurs triboélectriques en tant que nouvelle technologie pour récupérer l'énergie à partir du mouvement d'un utilisateur et a conçu le processus de stockage d'énergie associé.

L'objectif est de combiner ces avancées pour développer des dispositifs qui pourraient être collés à la peau d'un utilisateur ou à l'intérieur du corps pour détecter les signaux vitaux en temps réel "beaucoup plus" efficacement que les options actuellement disponibles, a déclaré Wang, ajoutant que ce travail a été parmi les les domaines qui progressent le plus rapidement en science des matériaux et en génie électronique.

"Au cours de la dernière décennie, cette direction générale du développement de l'électronique qui peut fonctionner plus intimement avec le corps humain a vraiment attiré beaucoup d'attention de la part des universités et de l'industrie", a déclaré Wang. "Parce que les gens ont vu le grand écart et aussi la grande opportunité ici d'avoir l'électronique qui fonctionne pour le corps humain d'une manière plus intime."

Saisissant cette opportunité, Wang oriente ses recherches dans plusieurs directions. "Nous avons créé une nouvelle structure et déposé un brevet auprès de Polsky sur la base de nos développements pour un nouveau type de capteur de pression, qui peut s'étirer comme la peau mais dont les performances ne changent pas", a expliqué Wang.

Travaillant avec ses collègues Stacy Lindau, MD, MA, professeur d'obstétrique et de gynécologie et de médecine-gériatrie et directeur d'un laboratoire de recherche à la Division des sciences biologiques, et Sliman Bensmaia, professeur de la famille James et Karen Frank de biologie et d'anatomie des organismes, Wang est utilisant ce capteur pour créer un système de prothèse neurale qui serait implanté sous la peau des patientes ayant subi une mastectomie. Appelé le Bionic Breast Project, l'objectif est de redonner des sensations à la région du sein.

"Ces capteurs peuvent fonctionner de la même manière que les récepteurs de détection du sein pour détecter un contact/mouvement physique, en le convertissant en un signal électrique", a déclaré Wang.

Ces capteurs pourraient également être utilisés pour développer une soi-disant peau électronique pour la robotique douce, leur donnant la capacité de sentir et de percevoir de nouvelles façons. Au cours des cinq prochaines années, cependant, Wang a déclaré qu'il s'attend à ce que les applications les plus immédiates de ce travail concernent un appareil qui extrait plusieurs types de signaux du corps, tels que le pouls et la pression artérielle. Et c'est exactement ce qu'ils font.

Pour l'avenir, l'objectif est de détecter les signaux de différents biomarqueurs dans la sueur.

"Dans la pratique médicale actuelle, le seul moyen d'obtenir un panel d'informations biochimiques est par le biais d'un test sanguin, qui est non seulement invasif mais pas instantané", a noté Wang. "Ce serait un autre grand changement pour la façon dont chacun peut obtenir son état de santé de manière beaucoup plus efficace et fréquente." Wang a récemment publié les deux premiers travaux décrivant la stratégie pour obtenir des biocapteurs extensibles avec une sensibilité et une sélectivité élevées.

Écrans extensibles et traitement des données sur le corps avec IA

Un autre composant essentiel des appareils similaires à la peau est un écran flexible pour communiquer avec les utilisateurs. Pour cela, Wang et son groupe ont développé un autre nouveau type de matériau important :les polymères électroluminescents. Très efficace, le polymère émet une lumière vive et maintient les performances lorsqu'il est étiré.

Pour compléter le travail, l'équipe explore également la combinaison des appareils avec l'intelligence artificielle (IA).

"Nous pensons que vers l'avenir, le succès des appareils portables résidera dans leur capacité à extraire et à surveiller en continu les informations de santé du corps humain", a déclaré Wang. "Alors, les données générées seront vraiment des" mégadonnées "par rapport à maintenant, n'ayant que des instantanés d'un rapport de test."

Comme pour tous les ensembles de données, la question suivante est de savoir comment analyser et extraire efficacement et à haut débit des informations utiles sur la santé.

"Nous essayons de développer un nouveau type d'appareil et de plate-forme informatiques qui peuvent vraiment implémenter efficacement l'IA ou l'algorithme d'apprentissage automatique directement sur la peau ou sur le corps sans compter sur le déplacement ou la transmission d'informations sans fil vers un emplacement informatique central, comme le cloud", a expliqué Wang. "L'analyse peut être beaucoup plus rapide et vous n'avez pas le risque de perdre des informations de santé très privées à partir de ces transmissions sans fil."

La plate-forme informatique basée sur les semi-conducteurs est un "ordinateur à réseau neuronal", inspiré du fonctionnement du cerveau.

"En fin de compte, nous pouvons contribuer à la réalisation de la médecine de précision", a déclaré Wang. "Pour chaque individu, les données collectées par l'appareil peuvent être analysées via un programme personnalisé qui vous donne les choses les plus utiles et les plus efficaces à faire, fournissant une intervention en boucle fermée pour contrôler votre santé."

Finalement, l'objectif est de créer quelque chose qui imite le cerveau humain non seulement dans les propriétés mécaniques mais aussi dans la façon dont il fonctionne et opère. "Dans l'ensemble, jusqu'à présent, l'IA a été davantage un domaine de recherche en informatique", a déclaré Wang. "Mais pour nous, en tant que scientifiques des matériaux, nous travaillons là-dessus sous un angle différent."

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Un appareil informatique extensible ressemble à de la peau, mais analyse les données de santé avec une intelligence artificielle imitant le cerveau