Des ingénieurs de Penn State mêlent art et science pour créer de mignons tatouages à peindre qui pourraient aider à détecter précocement les crises cardiaques, alimenter des prothèses robotiques et lire les ondes cérébrales — le tout dans un système coloré et personnalisable, facilement lavable et réapplicable.
L’équipe a conçu et déposé un brevet provisoire pour une encre conductrice qui peut alimenter des capteurs et être peinte directement sur la peau dans n’importe quel design imaginable. L’encre, qui peut être pigmentée de n’importe quelle couleur, utilise des matériaux qui adhèrent mieux à la peau, ce qui la rend non seulement élégante, mais aussi plus sensible, durable et précise que les autres conceptions de capteurs portables. L’équipe a détaillé ses travaux dans un article publié le 13 juillet dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.
Les technologies de santé portables sont alimentées par des contacts d’électrodes fixés au corps, a expliqué Larry Cheng, professeur James L. Henderson Jr. Memorial de science et mécanique de l’ingénierie à Penn State et auteur correspondant de l’article. Les électrodes peuvent interpréter la santé et l’activité du cœur, des muscles et du cerveau d’un patient en enregistrant différents signaux électriques produits par le corps. Les signaux cérébraux peuvent être traités en lectures EEG, qui reflètent l’activité neuronale du patient ; l’activité cardiaque peut être traitée en signaux ECG, ce qui signifie que l’équipe peut mesurer la fréquence cardiaque d’un patient pendant l’exercice et enregistrer une vue détaillée de l’activité électrique se produisant dans le cœur pour surveiller les problèmes ; et l’activité musculaire peut être traitée en signaux EMG pour suivre les contractions musculaires.
Les conceptions d’électrodes traditionnelles utilisent des matériaux rigides à base de métal qui offrent de la stabilité, mais ont du mal à rester fixés au corps pendant les mouvements ou l’exercice. De nombreux modèles expérimentaux, comme ceux sur lesquels Cheng travaille depuis plus d’une décennie, utilisent un matériau mou semblable à un gel, appelé hydrogel, qui peut absorber et gonfler avec l’eau pour s’étirer et mieux épouser les mouvements du corps. Cependant, ce matériau peut se déshydrater avec le temps, provoquant une perte d’adhérence et d’élasticité des électrodes en cas d’utilisation prolongée.
Wanqing Zhang, doctorant en science et mécanique de l’ingénierie et premier auteur de l’article, a expliqué que ce n’est pas seulement le décollement des électrodes qui contribue à des lectures moins précises des capteurs, mais aussi l’acte même de les appliquer. De nombreux capteurs commerciaux ont du mal à enregistrer avec précision ce qui se passe à l’intérieur du corps d’un patient, en particulier lorsqu’ils sont appliqués sur une peau poilue ou moite.
« La plupart des électrodes commerciales sont préfabriquées en laboratoire ou en usine, puis superposées sur la peau, ce qui crée un espace d’air entre la peau et l’électrode, nuisant aux performances de détection, a expliqué Zhang. Pour y remédier, nous avons mis au point une encre conductrice qui peut être peinte directement sur la peau. Après séchage, elle agit comme une électrode fonctionnelle. »
Ne portez pas un patch ennuyeux — prenez un pinceau et peignez le vôtre
L’équipe a mélangé plusieurs types de polymères, ou plastiques, et d’additifs acides dans une solution à base d’eau pour créer l’encre. Elle a la consistance de la colle lorsqu’elle est humide mais peut sécher sur la peau en moins de 10 minutes, a déclaré Zhang. Le séchage peut être accéléré à l’aide d’un sèche-cheveux.
« L’encre elle-même se comporte presque comme de la peinture pour le visage, a expliqué Cheng. Elle est presque transparente au départ, mais on peut utiliser du colorant alimentaire pour la pigmenter dans les couleurs souhaitées et peindre le design que l’on souhaite — comme un dessin animé ou Superman. Cela nous permet de personnaliser entièrement le dispositif portable selon les préférences de chacun. »
En plus d’être personnalisable, l’équipe rapporte que les capteurs alimentés par leurs électrodes sont extrêmement réactifs. Zhang a expliqué que peindre le matériau directement sur la peau permet une meilleure adaptation à la texture de la peau, améliorant ainsi les mesures. Pour améliorer la stabilité entre les électrodes et les capteurs qu’elles alimentent, une zone de connexion des électrodes est peinte sur un textile argenté poreux — presque comme un tissu métallique — placé sur la peau. L’encre humide s’infiltre dans le textile avant de durcir et d’adhérer à la surface de la peau. La partie de connexion est ensuite clipsée dans un port du module électrique plus grand, qui est fixé sur la peau du porteur sous ses vêtements. Ce module plus grand transmet les signaux électriques collectés par l’encre sans fil à un ordinateur via Bluetooth.
La structure poreuse du textile permet aux électrodes de s’étirer jusqu’à plus de 150 % de leur taille d’origine sans se rompre, tout en adhérant plus uniformément à la texture de la peau et en enregistrant efficacement les signaux électriques.
« Avec d’autres matériaux, la transpiration et l’humidité s’accumulent sur l’interface de l’électrode sur plusieurs jours, ce qui peut provoquer une irritation ou une déconnexion de la peau, a déclaré Cheng. En utilisant une structure poreuse, nous permettons à l’humidité ou aux poils de mieux traverser le matériau, rendant les électrodes plus conductrices, adhésives et confortables. »
Dans une expérience, l’équipe a montré que les électrodes peintes pouvaient suivre efficacement les lectures ECG d’un co-auteur pendant ses activités quotidiennes sur une période de 12 heures, tandis que dans un autre test, un co-auteur distinct a suivi ses lectures tout au long d’une routine d’exercice, prouvant que les électrodes maintiennent l’adhérence et la précision même pendant l’activité physique. Dans un autre test, l’équipe a suivi les signaux EMG de l’avant-bras d’un co-auteur et les a transmis à une prothèse robotique, permettant à l’individu de contrôler la main robotique sans la toucher.
« Bien que nous ayons testé l’utilisation quotidienne sur une période de 12 heures, ce n’est pas la limite de ces électrodes, a déclaré Cheng. Les électrodes elles-mêmes peuvent être lavées et facilement réappliquées. L’idée principale est qu’à l’avenir, vous pourriez avoir un module de détection plus coûteux qui reste séparé du système, mais les électrodes elles-mêmes pourraient être jetables. Une seule bouteille d’encre pourrait fournir suffisamment de matériau pour peindre plusieurs électrodes sur plusieurs jours ou une semaine. »
L’équipe prévoit de continuer à développer ses électrodes pour potentiellement permettre une détection plus avancée de la santé, de biomarqueurs comme le cortisol ou le glucose. Cheng a déclaré qu’en plus d’étudier une voie vers une utilisation commerciale pour les prestataires de soins de santé comme les pédiatres, l’équipe explore des applications uniques — notamment dans le domaine des sciences végétales pour créer des « plantes intelligentes » capables de fournir aux scientifiques des informations détaillées sur l’exposition chimique dans un environnement et les impacts que cette exposition pourrait avoir sur la santé d’une plante.
Les autres co-auteurs affiliés à Penn State incluent Su Yan, professeur assistant de recherche en génie biomédical ; Xin Xin, Senhao Zhang, Yangbo Yuan, Zhuo Liu, Fatema Tuz Zohra, Xianzhe Zhang, Abu Musa Abdullah, Bowen Li, Jia-Yu Yang et Ankan Dutta, tous doctorants en science et mécanique de l’ingénierie ; Yuqi Wang, doctorant en génie biomédical ; et Shihao Xia, doctorant en informatique au Penn State College of Information Sciences and Technology.
Cheng détient également des affiliations en génie mécanique, génie biomédical, génie architectural, génie industriel et manufacturier, science et génie des matériaux, au Materials Research Institute, à l’Institute of Energy and the Environment et au Huck Institutes of the Life Sciences. De plus amples détails sur les collaborateurs et le financement sont disponibles dans l’article.
Article : Paintable on-skin dry electrodes with robust skin and device connection for wireless sensing and human-machine interfaces – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Penn State U.
