Des jauges de contrainte confortables peuvent être directement placées sur la peau humaine pour surveiller l'activité de mouvement continu avec des applications répandues en robotique, détection de mouvement humain, et les soins de santé personnels. Cependant, il est difficile de développer une jauge de contrainte sur la peau pour surveiller les mouvements du corps humain à long terme sans perturber le mouvement naturel de la peau. Dans un nouveau rapport maintenant sur Avancées scientifiques , Yan Wang, et une équipe de scientifiques en génie électrique de l'Université de Tokyo et du Center for Emergent Matter Science au Japon a présenté une jauge de contrainte nanomesh ultrafine et durable. L'appareil a permis une activité de mouvement continu pour minimiser les contraintes mécaniques sur le mouvement naturel de la peau. Ils ont conçu le dispositif à l'aide de nanomailles renforcés de polyuréthane-polydiméthylsiloxane (PU-PDMS) pour une durabilité et une durabilité excellentes. La géométrie et la douceur de l'appareil ont fourni une interférence mécanique minimale pour les déformations naturelles de la peau. Lors des tests d'élocution, par exemple, le visage attaché au nanomesh a montré une cartographie des tensions cutanées similaire à celle de la peau naturelle sans nanomeshes. Wang et al. a démontré une cartographie faciale à long terme pour détecter en temps réel, mouvements corporels stables avec des capteurs nanomesh liés à la surface.

Ingénierie d'un nanomesh

L'électronique portable pour les applications sur la peau est conçue pour être mince, doux et durable pour s'intégrer à la peau humaine pour des applications continues à long terme. Les jauges de contrainte ont suscité un intérêt considérable en bio-ingénierie en raison de leurs applications dans les interfaces homme-machine pour le diagnostic de la santé. Des jauges de contrainte souples et de haute précision peuvent être utilisées pour mesurer en continu la fonction des organes biologiques. Cependant, ils ont des mécanismes plus simples pour générer des changements électriques répétitifs après déformation mécanique, pour les applications interfaçant les systèmes biologiques. Les appareils ne nécessitent qu'une haute conformité mécanique, la flexibilité, sensibilité et biocompatibilité pour une fonction optimale. Dans ce travail, Wang et al. a développé une jauge de contrainte nanomesh ultrafine et durable pour détecter les mouvements humains tout en minimisant les contraintes mécaniques sur la peau naturelle. Ils ont utilisé du PU-PDMS (polyuréthane-polydiméthylsiloxane) pour concevoir les nanomeshes avec un poids ultraléger de 0,12 mg/cm ² et une durabilité mécanique extraordinaire pour les applications d'étirement et de relâchement à cycle élevé. L'équipe a utilisé la configuration pour cartographier avec succès la tension de la peau du visage pendant la parole pendant jusqu'à 3,5 heures avec une interférence mécanique minimale après une usure à long terme.

Lors des expérimentations, l'équipe a d'abord créé des nanofibres de PU (polyuréthane) électrofilées pour créer de longues, fibres ressemblant à des cheveux pour former l'épine dorsale du capteur nanomesh perméable. A l'étape suivante, ils ont plongé la feuille de nanofibres PU dans une solution diluée de PDMS (polydiméthylsiloxane) pour que les nanofibres forment des faisceaux aléatoires entourés de PDMS. Wang et al. soumis le matériau à une légère exposition à l'ozone ultraviolet (UV) pour durcir la surface et faciliter l'hydrophilie de la surface (nature qui aime l'eau) pour la biocompatibilité. Ils ont terminé le dispositif en utilisant un dépôt d'or des deux côtés et ont observé la gaine centrale en PU-PDMS résultante en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB). Le revêtement PDMS a amélioré l'interconnectivité entre les nanofibres pour une meilleure intégrité structurelle des constructions. La résistance mécanique résultante du nanomesh PU-PDMS autonome s'est considérablement améliorée avec une plus grande extensibilité par rapport à la feuille de nanofibre nue et l'équipe a également examiné sa perméabilité aux gaz.

Extensibilité et sensibilité programmables

Wang et al. conçu efficacement diverses structures nanomesh en faisant varier la concentration de PDMS pour obtenir des jauges de contrainte nanomesh avec différentes sensibilités et extensibilités. Cependant, tous les dispositifs ont conservé des distributions de tailles de pores similaires par rapport à leur structure poreuse. Les scientifiques ont défini le facteur de jauge (GF) ou la sensibilité à la déformation comme le rapport entre le changement fractionnel de la résistance électrique et le changement fractionnel de la longueur. Différentes structures de maillage ont montré des extensibilités et des facteurs de jauge différents. Lors d'un étirement uniaxial, la résistance de chaque appareil a augmenté avec des taux différents. En diluant la solution PDMS, ils ont programmé efficacement les jauges de contrainte nanomesh avec différentes extensibilités et sensibilités. À des contraintes plus élevées au-delà de la plage de tolérance, les mailles PU-PDMS déconnectées pour provoquer la rupture des nanomesh, tandis que la structure nanomesh pourrait être conservée en libérant la contrainte.

Durabilité électromécanique, fiabilité et durabilité des capteurs nanomesh PU-PDMS

Pour comprendre la durabilité des appareils, l'équipe de recherche a appliqué une contrainte de 40% sur l'appareil pendant 12 heures. Ils ont ensuite effectué des tests cycliques pour étudier la durabilité mécanique de la construction et ont noté une légère hystérésis de résistance dans les premières centaines de cycles en raison des propriétés mécaniques du PDMS. La résistance en feuille du nanomesh PU-PDMS était stable sous 100 jours de stockage dans des conditions ambiantes en raison de sa surface d'or inerte, indiquant une longue durée de conservation, bien adapté aux applications pratiques. Les scientifiques ont mené des tests de durabilité pour les capteurs nanomesh en utilisant des constructions conçues avec divers échafaudages de nanofibres, y compris l'alcool polyvinylique (PVA), polyuréthane (PU) seul et PU avec revêtement parylène. Par rapport aux trois autres nanomeshes qui n'ont pas fonctionné aussi efficacement, les nanomaillages PU-PDMS ont montré une déformation cyclique uniforme pendant 100 cycles.

Après avoir attaché le dispositif nanomesh à la peau humaine, l'équipe a pulvérisé la surface avec un brouillard d'eau pour une adhérence stable. Le contact était à peine perceptible par le sujet portant les capteurs nanomesh pendant l'expérience. Wang et al. attaché des capteurs nanomesh sur le côté droit du visage et placé des marqueurs rectangles noirs sur le côté gauche comme référence. Lorsque le sujet du test a articulé les lettres « a, " "o" et "u, " les souches les plus élevées enregistrées pour les marqueurs noirs se situaient entre 17,5 et 25 %, tandis que ceux enregistrés pour les capteurs nanomesh étaient de 18,3 à 23,6 %. Les résultats de la cartographie des déformations ont donc montré une distribution symétrique des déformations cutanées sur les côtés droit et gauche du visage, mettant en évidence les contraintes mécaniques minimales des dispositifs nanométriques sur la peau pendant la parole. Les nanomeshes conformables peuvent être portés pendant 3,5 heures sans inconfort.

L'équipe a ensuite étendu les expériences pour détecter des déformations cutanées subtiles sur le poignet humain induites par le pouls. Ils ont doucement pressé l'artère radiale du poignet humain attaché avec un capteur nanomesh et ont choisi l'amplitude et la fréquence en temps réel, l'appareil peut être utilisé pour surveiller les signaux avant et après l'exercice physique. La construction a maintenu une extensibilité linéaire plus élevée pour détecter les grands mouvements de flexion des articulations avec une excellente conformité pour éviter la rupture ou le détachement de la peau. Le capteur de contrainte a maintenu une fonctionnalité efficace même après 10, 000 cycles de flexion/détente pour démontrer son intégrité structurelle et sa conformabilité entre la peau et l'appareil.

De cette façon, le PU-PDMS (polyuréthane-polydiméthylsiloxane) à base ultra-doux, les nanomaillages multicouches développés dans ce travail étaient plus minces et plus extensibles par rapport aux travaux précédents menés par la même équipe. Les constructions ont affiché une durabilité et une durabilité remarquables lors des tests d'étirement cyclique. La durabilité mécanique était une caractéristique clé pour les tests de surveillance de la peau de haute précision à long terme en temps réel. Les capteurs nanomesh sont bien adaptés à une gamme d'applications pratiques, y compris la surveillance de la santé personnelle à distance, suivi des performances sportives d'endurance et comme prothèses d'interface peau-machine. Wang et al. suggèrent de remplacer le revêtement de surface en or par des nanomatériaux conducteurs plus rentables pour construire à l'avenir une électronique nanomesh. Les scientifiques envisagent que ces constructions deviendront applicables en tant qu'électronique futuriste sur la peau/implantable pour les activités quotidiennes de surveillance des soins de santé.

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