La peau de serpent inspire le développement de capteurs portables avec une large sensibilité aux contraintes

La peau de serpent inspire le développement de capteurs portables avec une large sensibilité aux contraintes

Crédit : Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale

De nombreuses fonctions corporelles chez l’homme se manifestent par des déformations mécaniques de la peau, depuis l’étirement, la flexion et le mouvement des muscles et des articulations jusqu’au battement d’un pouls au poignet. Ces changements mécaniques peuvent être détectés et surveillés en mesurant différents niveaux de contrainte à divers points du corps.

Ces dernières années, une grande attention s’est portée sur les capteurs portables pour mesurer ces contraintes à utiliser dans la surveillance de la santé personnelle. Certains de ces capteurs peuvent détecter les tensions de niveau élevé (40 à 100 %), telles que celles associées aux mouvements des doigts et des articulations des membres, d’autres détectent les tensions de niveau intermédiaire (10 à 40 %), comme celles que l’on trouve dans la déglutition et les mouvements du visage. et d’autres encore sont sensibles aux faibles niveaux (

En raison de ses niveaux de conductivité et de stabilité les plus élevés, un matériau très apprécié pour ces types de capteurs est le PEDOT:PSS, ou poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate. Auparavant, des capteurs de contrainte PEDOT:PSS très sensibles ont été développés qui peuvent détecter la contrainte de mouvements très infimes (20%). Les tentatives pour résoudre ce problème en ajoutant des polymères extensibles, ou des élastomères, ont entraîné une augmentation de l’élasticité mais une diminution de la sensibilité dans la détection de petites déformations.

Une équipe collaborative de l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale a relevé ces défis en concevant un dispositif portable de détection de contrainte capable de détecter efficacement un large éventail de contraintes. Afin de maximiser l’élasticité de ce capteur, les chercheurs de TIBI se sont inspirés d’un exemple trouvé dans la nature. Les serpents sont bien connus pour avoir la capacité de s’étirer jusqu’à plusieurs fois leur taille corporelle normale lorsqu’ils ingèrent des proies. Après un examen plus approfondi de la peau de serpent, les chercheurs ont observé que la peau de serpent est recouverte d’écailles qui se chevauchent ; lorsqu’une contrainte est appliquée, ces écailles glissent les unes sur les autres et sont déplacées en écailles séparées avec de la peau entre elles. Cela confère une extensibilité exceptionnelle à la peau.

Les chercheurs ont utilisé ce concept de conception pour fabriquer leur capteur. Une fine couche de PEDOT:PSS a été appliquée et cuite sur un ruban élastomère. Cette couche a ensuite été étirée à un niveau de déformation de 50 % optimisé expérimentalement. Ce processus a entraîné des fissures et la formation de morceaux à l’échelle microscopique, ou « îlots » à la surface de la couche, avec des zones intercalées de PEDOT:PSS. Ces zones exposées ont servi de sites de liaison pour l’application d’une seconde couche mince de PEDOT:PSS. Une fois appliquée, la deuxième couche a été encore étirée à un niveau de déformation de 100 %, ce qui a entraîné la création d’îlots et de zones supplémentaires qui s’alignaient naturellement avec ceux de la première couche. Une fois libérée de l’étirement, une structure a été créée avec des îles superposées qui imitaient la structure écailleuse d’un serpent.

« Le point clé dans le développement de ce capteur est sa nouvelle conception structurelle », a déclaré le chercheur principal Shiming Zhang, Ph.D. « Cela permet à notre appareil de mesurer une large gamme de niveaux de contrainte avec un degré élevé de sensibilité. »

La bicouche PEDOT:PSS a été apposée sur une couche d’hydrogel ; l’hydrogel doux et gélatineux a été choisi pour cette sous-couche, car il reposerait sur la peau du sujet et offrirait une biocompatibilité et un confort de port. Des fils de cuivre et un joint en élastomère ont été ajoutés au capteur et diverses expériences ont été menées pour tester sa capacité à détecter un large éventail de contraintes.

Dans les tests de contrainte à faible amplitude, les mesures du pouls du poignet ont été prises au repos et après l’exercice. Des mesures ont également été prises des mouvements de la peau et des tissus du cou pendant la vocalisation et la phonation. Pour détecter les tensions moyennes, des mesures ont été prises des mouvements des sourcils et des mouvements de va-et-vient du larynx lors de la déglutition. Et dans des tests de déformation de haut niveau, des mesures de différents degrés de flexion du coude ont été prises.

Les résultats des expériences ont montré que le capteur TIBI a produit des signaux clairement définis avec une plage de sensibilité de deux ordres de grandeur. Les signaux reflétaient avec précision les degrés et les angles des mouvements correspondants détectés. De plus, le capteur a démontré une excellente conductivité, durabilité et reproductibilité.

La polyvalence de ce capteur portable de grande envergure peut être appliquée à une myriade de besoins biomédicaux, tels que la surveillance des fonctions cardiaques ou circulatoires, l’aide aux sujets ayant des difficultés à vocaliser ou à avaler, ou à la rééducation physique et à l’évaluation des performances sportives. Il peut également être utilisé dans des applications créatives telles que l’amélioration de la communication pour ceux qui travaillent dans des environnements bruyants ou pour surveiller les conditions psychologiques associées aux expressions faciales.

« Les principes de conception structurelle démontrés ici constituent une véritable avancée dans la surveillance de la santé des appareils portables », a déclaré Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur et PDG de TIBI. « Il illustre la créativité et la réflexion prospective de nos chercheurs dans le développement de dispositifs de détection personnalisés. »


Dans une première pour l’optique portable, des chercheurs développent une fibre extensible pour capturer le mouvement du corps


Plus d’information:
Hao Liu et al, Exploiter la sensibilité à la déformation à large spectre des films PEDOT:PSS bicouches pour la surveillance de la santé portable, Matière (2021). DOI : 10.1016/j.matt.2021.06.034

Fourni par l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale

Citation: La peau de serpent inspire le développement de capteurs portables avec une sensibilité aux contraintes étendue (2021, 15 juillet) récupéré le 15 juillet 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-07-snake-skin-wearable-sensors-wide-ranging .html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.