Ingenieros del MIT y colegas en Corea del Sur han desarrollado una "piel electrónica" a prueba de sudor, un avance en dispositivos inteligentes de esta naturaleza más duraderos.
Concretamente, se trata de un parche adhesivo adaptable e integrado en un sensor que monitorea la salud de una persona sin fallos de lectura y sin desprenderse, incluso cuando el usuario está sudando.
El parche está modelado con conductos de sudor artificiales, similares a los poros de la piel humana, que los investigadores grabaron a través de las capas ultrafinas del material. Los poros perforan el parche en un patrón similar a un kirigami, similar al del arte japonés del corte de papel. El diseño asegura que el sudor pueda escapar a través del parche, evitando la irritación de la piel y el daño a los sensores integrados.
El diseño de kirigami también ayuda a que el parche se adapte a la piel humana a medida que se estira y se dobla. Esta flexibilidad, junto con la capacidad del material para resistir el sudor, le permite controlar la salud de una persona durante largos períodos de tiempo, lo que no ha sido posible con los diseños anteriores de piel inteligente.
El diseño de kirigami también ayuda a que el parche se adapte a la piel humana a medida que se estira y se dobla
Los resultados, publicados en Science Advances, son un paso hacia pieles inteligentes duraderas que pueden rastrear los signos vitales diarios o la progresión del cáncer de piel y otras afecciones.
"Con este parche para la piel transpirable y adaptable, no habrá acumulación de sudor, información incorrecta o desprendimiento de la piel", dice en un comunicado Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Podemos proporcionar sensores portátiles que pueden realizar un seguimiento constante a largo plazo", añade.
UN OBSTÁCULO SUDOROSO
El grupo de Kim se especializa en la fabricación de películas semiconductoras flexibles. Los investigadores han sido pioneros en una técnica llamada epitaxia remota, que consiste en cultivar películas de semiconductores ultrafinos y de alta calidad en obleas a alta temperatura y pelar selectivamente las películas, que luego pueden combinar y apilar para formar sensores mucho más delgados y flexibles que los diseños convencionales basados en obleas.
Recientemente, su trabajo llamó la atención de la compañía de cosméticos Amorepacific, que estaba interesada en desarrollar cintas portátiles delgadas para monitorear continuamente los cambios en la piel. La compañía entabló una colaboración con Kim para convertir las películas semiconductoras flexibles del grupo en algo que se pudiera usar durante largos períodos de tiempo.
Pero el equipo pronto se encontró con una barrera que otros diseños de pieles electrónicas aún no han despejado: el sudor. La mayoría de los diseños experimentales incorporan sensores en materiales pegajosos a base de polímeros que no son muy transpirables. Otros diseños, hechos de nanofibras tejidas, pueden dejar pasar el aire, pero no el sudor. Si una e-skin funcionara a largo plazo, Kim se dio cuenta de que tendría que ser permeable no solo al vapor, sino también al sudor.
Se trata de un parche adhesivo adaptable e integrado en un sensor que monitorea la salud de una persona sin fallos de lectura y sin desprenderse
"El sudor puede acumularse entre la piel electrónica y la piel, lo que podría causar daños en la piel y un mal funcionamiento del sensor", señala Kim, al tiempo que explica que "trataron de abordar estos dos problemas al mismo tiempo, permitiendo que el sudor penetre a través de la piel electrónica".
CONDUCTOS DE SUDOR ARTIFICIALES
Por ello, los investigadores buscaron los poros de sudor humano y encontraron que el diámetro del poro promedio mide alrededor de 100 micras y que los poros se distribuyen aleatoriamente por toda la piel. Ejecutaron algunas simulaciones iniciales para ver cómo podrían superponerse y organizar los poros artificiales, de una manera que no bloqueara los poros reales en la piel humana.
Comenzaron con un patrón periódico de agujeros, cada uno del tamaño de un poro de sudor real. Encontraron que si los poros estuvieran espaciados entre sí, a una distancia menor que el diámetro promedio de un poro, el patrón en su conjunto impregnaría eficientemente el sudor. Pero también descubrieron que si este patrón de agujero simple se grababa a través de una película delgada, la película no era muy estirable, y se rompía fácilmente cuando se aplicaba a la piel.
Los investigadores descubrieron que podrían aumentar la fuerza y la flexibilidad del patrón de agujeros cortando canales delgados entre cada agujero, creando un patrón de mancuernas repetidas, en lugar de agujeros simples, que relajan la tensión, en lugar de concentrarlo en un solo lugar. Este patrón, cuando se grabó en un material, creó un efecto estirable, similar al kirigami.
Siguiendo este razonamiento, el equipo fabricó una piel electrónica a partir de múltiples capas funcionales, cada una de las cuales grabó con poros estampados con mancuernas. Las capas de la piel comprenden una gama de sensores con patrones de semiconductores ultra-ensanados para monitorear la temperatura, la hidratación, la exposición ultravioleta y la tensión mecánica. Esta matriz de sensores se intercala entre dos películas protectoras delgadas, todas las cuales se superponen a un adhesivo de polímero pegajoso.
Los investigadores probaron la piel electrónica pegándola en la muñeca y la frente de un voluntario. El voluntario llevaba la cinta continuamente durante una semana. A lo largo de este período, la nueva e-skin midió de manera confiable su temperatura, niveles de hidratación, exposición a los rayos UV y pulso, incluso durante las actividades que inducen el sudor, como correr en una cinta de correr durante 30 minutos y consumir una comida picante.
El diseño del equipo también se ajustaba a la piel, apegándose a la frente del voluntario mientras se le pedía que fruncie el ceño repetidamente mientras sudaba profusamente, en comparación con otros diseños de piel electrónica que carecían de permeabilidad al sudor y se separaban fácilmente de la piel.