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#Actualités du secteur
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Une "peau intelligente" électronique résistante à la transpiration prend des mesures fiables, même pendant les séances d'entraînement
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Cette conception pourrait déboucher sur la mise au point de moniteurs portables et conformables pour le suivi du cancer de la peau et d'autres affections.
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Des ingénieurs du MIT et des chercheurs de Corée du Sud ont mis au point une "peau électronique" résistante à la sueur, un patch adhésif conformable, doté de capteurs, qui surveille la santé d'une personne sans dysfonctionnement ni décollement, même lorsque le porteur transpire.
Le patch est doté de canaux de transpiration artificiels, semblables aux pores de la peau humaine, que les chercheurs ont gravés à travers les couches ultrafines du matériau. Les pores perforent le patch selon un motif de type kirigami, semblable à celui de l'art japonais de la découpe du papier. Cette conception permet à la sueur de s'échapper par le patch, évitant ainsi toute irritation de la peau et tout endommagement des capteurs intégrés.
Le motif kirigami permet également au patch de se conformer à la peau humaine lorsqu'il s'étire et se plie. Cette flexibilité, associée à la capacité du matériau à résister à la sueur, lui permet de surveiller la santé d'une personne sur de longues périodes, ce qui n'était pas possible avec les précédentes conceptions de "peau électronique". Les résultats, publiés le 30 juin 2021 dans Science Advances, constituent un pas en avant vers des peaux intelligentes durables qui pourraient suivre les signes vitaux quotidiens ou la progression du cancer de la peau et d'autres maladies.
"Avec ce patch cutané conformable et respirant, il n'y aura pas d'accumulation de sueur, d'informations erronées ou de détachement de la peau", explique Jeehwan Kim, professeur associé de génie mécanique au MIT. "Nous pouvons fournir des capteurs portables capables d'effectuer une surveillance constante à long terme"
Les co-auteurs de Jeehwan Kim comprennent l'auteur principal et post-doc du MIT, Hanwool Yeon, et des chercheurs des départements de génie mécanique et de science et génie des matériaux du MIT, ainsi que du laboratoire de recherche en électronique, avec des collaborateurs du conglomérat de cosmétiques Amorepacific et d'autres institutions de Corée du Sud.
Un obstacle qui fait transpirer
Le groupe de Kim est spécialisé dans la fabrication de films semi-conducteurs flexibles. Les chercheurs ont mis au point une technique appelée "épitaxie à distance", qui consiste à faire croître des films semi-conducteurs ultrafins et de haute qualité sur des plaquettes à haute température, puis à décoller sélectivement les films, qu'ils peuvent ensuite combiner et empiler pour former des capteurs beaucoup plus fins et flexibles que les modèles conventionnels basés sur des plaquettes.
Récemment, leurs travaux ont attiré l'attention de la société de cosmétiques Amorepacific, qui souhaitait mettre au point un ruban mince à porter sur soi pour surveiller en permanence les modifications de la peau. La société a établi une collaboration avec Kim pour façonner les films semi-conducteurs flexibles du groupe en un produit qui pourrait être porté sur de longues périodes.
Mais l'équipe s'est rapidement heurtée à un obstacle que d'autres conceptions de peaux électroniques doivent encore surmonter : la transpiration. La plupart des modèles expérimentaux intègrent des capteurs dans des matériaux polymères collants qui ne sont pas très respirants. D'autres modèles, fabriqués à partir de nanofibres tissées, laissent passer l'air, mais pas la sueur. Pour qu'une peau électronique fonctionne sur le long terme, Kim a réalisé qu'elle devait être perméable non seulement à la vapeur, mais aussi à la sueur.
"La sueur peut s'accumuler entre l'e-skin et votre peau, ce qui pourrait provoquer des dommages cutanés et un dysfonctionnement du capteur", explique Kim. "Nous avons donc essayé de résoudre ces deux problèmes en même temps, en permettant à la sueur de s'infiltrer dans la peau électronique."
Faire la part des choses
Pour s'inspirer de la conception, les chercheurs se sont penchés sur les pores de la sueur humaine. Ils ont constaté que le diamètre d'un pore moyen mesure environ 100 microns et que les pores sont répartis de manière aléatoire sur la peau. Ils ont effectué quelques simulations initiales pour voir comment ils pourraient superposer et disposer des pores artificiels, de manière à ne pas bloquer les pores réels de la peau humaine.
"Notre idée simple est la suivante : si nous fournissons des canaux de transpiration artificiels dans la peau électronique et que nous créons des voies hautement perméables pour la sueur, nous pourrions parvenir à une contrôlabilité à long terme", explique Yeon
Ils ont commencé par un motif périodique de trous, chacun ayant à peu près la taille d'un pore de sueur réel. Ils ont constaté que si les pores étaient rapprochés les uns des autres, à une distance inférieure au diamètre d'un pore moyen, le motif dans son ensemble permettait une perméabilité efficace de la sueur. Mais ils ont également constaté que si ce simple motif de trous était gravé dans un film fin, celui-ci n'était pas très extensible et se brisait facilement lorsqu'il était appliqué sur la peau.
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient augmenter la résistance et la flexibilité du motif de trous en découpant de minces canaux entre chaque trou, créant ainsi un motif d'haltères répétés, plutôt que de simples trous, qui relâche la tension, au lieu de la concentrer en un seul endroit. Ce motif, gravé dans un matériau, crée un effet extensible, semblable au kirigami.
"Si vous enroulez un morceau de papier autour d'une balle, il n'est pas conformable", explique Kim. "Mais si vous découpez un motif de kirigami dans le papier, il peut se conformer. Nous nous sommes donc demandé pourquoi ne pas relier les trous par une découpe, afin d'obtenir une conformabilité de type kirigami sur la peau En même temps, nous pouvons faire pénétrer la sueur."
En suivant ce raisonnement, l'équipe a fabriqué une peau électronique à partir de plusieurs couches fonctionnelles, chacune étant gravée de pores en forme d'haltères. Les couches de la peau comprennent une matrice ultrafine de capteurs à semi-conducteurs permettant de surveiller la température, l'hydratation, l'exposition aux ultraviolets et les contraintes mécaniques. Ce réseau de capteurs est pris en sandwich entre deux films protecteurs fins, le tout recouvert d'un adhésif polymère collant.
"La peau électronique ressemble à la peau humaine : elle est très extensible et douce, et la sueur peut la traverser", explique Yeon.
Les chercheurs ont testé l'e-skin en la collant sur le poignet et le front d'un volontaire. Le volontaire a porté la bande en continu pendant une semaine. Tout au long de cette période, la nouvelle peau électronique a mesuré de manière fiable sa température, son niveau d'hydratation, son exposition aux UV et son pouls, même lors d'activités provoquant la transpiration, comme courir sur un tapis roulant pendant 30 minutes et consommer un repas épicé.
La conception de l'équipe s'est également adaptée à la peau, collant au front du volontaire alors qu'on lui demandait de froncer les sourcils à plusieurs reprises tout en transpirant abondamment, contrairement à d'autres conceptions d'e-skin qui n'étaient pas perméables à la sueur et se détachaient facilement de la peau.
Kim prévoit d'améliorer la résistance et la durabilité de la conception. Si le ruban est à la fois perméable à la sueur et hautement conformable, grâce à son motif kirigami, c'est ce même motif, associé à la forme ultrafine du ruban, qui le rend assez fragile à la friction. Par conséquent, les volontaires ont dû porter une enveloppe autour de la bande pour la protéger lors d'activités telles que la douche.
"Comme la e-peau est très douce, elle peut être physiquement endommagée", explique Yeon. "Notre objectif est d'améliorer la résilience de la peau électronique"
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