Os dispositivos vestíveis tornaram -se uma grande parte dos cuidados de saúde modernos, ajudando a rastrear a freqüência cardíaca de um paciente, os níveis de estresse e a atividade cerebral. Esses dispositivos dependem de eletrodos, sensores que tocam a pele para captar sinais elétricos do corpo.
Criar esses eletrodos não é tão fácil quanto parece. A pele humana é complexa. Suas propriedades, como o quão bem conduz a eletricidade, podem mudar dependendo de quão hidratada é, quantos anos você tem ou mesmo o clima. Essas mudanças podem dificultar o teste de quão bem um dispositivo vestível funciona.
Além disso, os eletrodos de teste geralmente envolvem voluntários humanos, o que pode ser complicado e imprevisível. A pele de todos é diferente, o que significa que os resultados nem sempre são consistentes. O teste também leva tempo e dinheiro. Além disso, há preocupações éticas em pedir às pessoas que participem desses experimentos, incluindo garantir que sejam informados sobre os riscos e benefícios e possam participar voluntariamente.
Os cientistas tentaram criar modelos de pele artificiais para evitar alguns desses problemas, mas os existentes não foram capazes de imitar completamente a maneira como a pele se comporta ao interagir com sensores vestíveis. Para abordar essas limitações, meus colegas e eu desenvolvemos uma ferramenta chamada Phantom Biomimetic Skin – um modelo que imita o comportamento elétrico da pele humana, facilitando o teste de sensores vestíveis, mais baratos e confiáveis.
O que é um fantasma de pele?
Nosso fantasma biomimético da pele é feito de duas camadas que capturam as nuances da superfície da pele e dos tecidos mais profundos. “Biomimético” significa que imita algo da natureza – neste caso, a pele humana. “Phantom” refere -se a um modelo físico ou dispositivo feito para imitar as propriedades de algo real, como tecidos humanos, para que possa ser usado para pesquisa em vez de confiar nas pessoas reais.
OpenStax, CC BY-SA
A camada inferior imita os tecidos mais profundos sob a pele. É feito a partir de uma substância semelhante a gel chamada criogel de álcool polivinílico, que pode ser ajustado para ter suavidade e condutividade elétrica semelhante aos tecidos biológicos reais. Escolhemos esse material porque essas qualidades, juntamente com sua durabilidade e amplo uso em pesquisas biomédicas, tornam-o um bom substituto para as camadas mais profundas da pele.
A camada superior imita a parte mais externa da pele, conhecida como estrato córneo. É feito de um material semelhante a silicone chamado PDMS, que é misturado com aditivos especiais para combinar com as propriedades elétricas da pele. Também amplamente utilizado na pesquisa biomédica, o PDMS é flexível e fácil de moldar para replicar de perto a camada externa da pele.
Uma característica única do nosso fantasma da pele é sua capacidade de imitar diferentes níveis de hidratação da pele. A hidratação afeta o quão bem a pele conduz a eletricidade. A pele seca tem maior resistência, o que significa que se opõe ao fluxo de eletricidade. Isso torna mais difícil para os dispositivos vestíveis capturar sinais. A pele hidratada conduz a eletricidade mais facilmente porque a água melhora o movimento de partículas carregadas, levando a uma melhor qualidade de sinal. Melhorar como a pele seca é modelada e testada pode levar a melhores projetos de eletrodos.
Para replicar os efeitos da hidratação da pele, introduzimos poros ajustáveis na camada superior do PDMS do fantasma da pele. Ao alterar com precisão o tamanho e a densidade dos poros, o modelo pode imitar condições secas ou hidratadas da pele.
Testando o fantasma da pele
Minha equipe e eu testamos nosso fantasma da pele de várias maneiras para ver se ela poderia realmente substituir a pele humana em experimentos.
Primeiro, usamos um método chamado espectroscopia de impedância para estudar as propriedades elétricas do Phantom. Essa técnica aplica sinais elétricos alternados em diferentes frequências e mede a resistência do material ao fluxo elétrico, fornecendo um perfil detalhado de seu comportamento elétrico. Os resultados dos experimentos que realizamos em cinco voluntários mostraram que a resposta de impedância do fantasma refletiu de perto a da pele humana nas condições secas e hidratadas, com uma diferença inferior a 20% entre a pele real e o fantasma.
Frederic Cirou/Photoalto via Getty Images
Também testamos se os dispositivos vestíveis poderiam capturar sinais do fantasma da pele e como a qualidade do sinal mudou com diferentes condições da pele. Para fazer isso, registramos sinais de eletrocardiograma em fantasmas projetados para imitar a pele seca e hidratada. Os resultados mostraram diferenças claras na qualidade do sinal: o fantasma simulando a pele seca teve uma proporção de sinal / ruído mais baixa, enquanto o fantasma da pele hidratado mostrou melhor clareza do sinal. Esses achados são consistentes com estudos anteriores de outros pesquisadores.
Juntos, nosso fantasma de pele replica de perto a maneira como a pele humana responde a sensores vestíveis em uma variedade de condições, incluindo estados secos e hidratados. Essa precisão o torna um substituto ideal para a pele real no laboratório.
Tecnologia vestível
O Skin Phantom é mais do que apenas uma ferramenta de teste – é um passo à frente para a tecnologia de saúde vestível.
Ao remover a imprevisibilidade dos testes humanos, os cientistas podem projetar e melhorar os dispositivos vestíveis de maneira mais rápida e eficaz. Eles também podem usá -lo para estudar como a pele interage com dispositivos médicos, como patches que fornecem medicina ou ferramentas avançadas de diagnóstico.
Nosso fantasma de pele também é simples e barato. Cada fantasma custa menos de US $ 3 e pode ser feito com materiais e ferramentas de laboratório padrão. Ele pode ser reutilizado várias vezes no mesmo dia sem alterações significativas em suas propriedades elétricas, embora o uso estendido ao longo de vários dias possa exigir ajustes, como a reidratação, para manter o desempenho estável. Essa acessibilidade e reutilização tornam o Phantom mais acessível para laboratórios com orçamentos ou recursos limitados.
À medida que a tecnologia vestível se torna mais comum nos cuidados de saúde, ferramentas como o Phantom da Skin podem ajudar a tornar os dispositivos mais confiáveis, acessíveis e personalizados para todos.
Krittika Goyal, Professora Assistente de Manufatura e Tecnologia de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia de Rochester
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