Ceci est le deuxième d’une série en deux parties sur l’avenir de la technologie portable. Première partie (lire ici) explore à quoi ressembleront les futurs wearables et ce qu’ils accompliront.
Aug. 23, 2022-Prenez votre smartphone. Oui, vous l’avez tenu mille fois, c’est comme une extension de vos mains. Mais faisons une expérience: Attrapez-le par les deux extrémités et étirez-le aussi loin qu’il ira. Maintenant, tournez-le. Enroulez-le autour de votre avant-bras. Cool, non? Maintenant, laissez-le revenir.
Attendez, que voulez-vous dire par votre téléphone ne se pliera pas et ne s’étirera pas?
Ce petit exercice in imagination illustre ce qui est possible dans le domaine des wearables – les appareils électroniques que nous portons près de ou sur notre peau. Aujourd’hui, les montres intelligentes et les téléphones sont encore des blocs durs et inflexibles de plastique et de métal. Demain, tout cela changera.
“Dans les wearables, la flexibilité, l’extensibilité et la lavabilité sont toutes des exigences clés”, explique Veena Misra, PhD, professeur de génie électrique à l’Université d’État de Caroline du Nord et directeur de l’ASSIST Center, un institut de recherche financé par le gouvernement fédéral qui développe des appareils portables pour aider à la santé.
” Nous assistons à ce genre de développements dans tous les domaines“, explique Misra, » et vous pouvez le suivre dans le nombre d’articles [de recherche] publiés dans wearables. Ce nombre ne fait que croître de façon exponentielle.”
Nous avons tendance à considérer les wearables comme des gadgets de consommation amusants, mais une école de pensée croissante affirme qu’ils amélioreront considérablement les soins de santé – fournissant un moyen de surveillance continue à long terme pour prédire les événements indésirables et suivre de près la maladie, améliorant les traitements et les résultats de santé dans le monde entier.
Pour que cela se produise, les wearables doivent fonctionner de manière transparente avec notre corps. Cela signifie que les dispositifs et systèmes conventionnels durs et rigides ressemblent davantage à la peau humaine – doux, pliables et extensibles.
Comment gère-t-on cela? En redessinant l’électronique au niveau moléculaire, en miniaturisant les capteurs et en créant des sources d’énergie inédites pour prendre en charge ce que les ingénieurs appellent un facteur de forme “semblable à la peau ».”
Pour inventer une phrase, ce n’est pas de la science-fiction. Cela se produit au moment où nous parlons, et les nouveaux produits que ces avancées créeront – potentiellement à partir des soins de santé et sur le marché du bien – être des consommateurs-pourraient devenir aussi normaux que ce téléphone maladroit et inflexible que vous ne pouvez pas poser. Voici comment.
Pourquoi Le Facteur De Forme Est-Il Important?
Un appareil portable qui s’adapte à votre corps est meilleur de deux manières cruciales: il est moins gênant pour l’utilisateur et il permet une mesure plus fiable.
“Les capteurs et les systèmes de capteurs souffrent souvent d’une inadéquation mécanique”, explique Hôtels proches de la Alper Bozkurt, PhD, ingénieur électricien, et collègue de Misra, à NC State et ASSIST. “Si vous avez des tissus mous qui bougent, mais un appareil de détection rigide qui ne bouge pas, votre mesure peut ne pas être fiable.”
C’est parce que tout ce bruit supplémentaire entre l’appareil et votre corps apparaît comme du “bruit” – des informations dénuées de sens qui peuvent fausser la mesure et conduire à de fausses conclusions.
Ensuite, il y a le “facteur humain”, note Bozkurt – la question de la conformité.
“L’un des défis est que nous concevons des choses en laboratoire, que nous testons tout et que nous les apportons à nos opérateurs médicaux, qui lèvent les sourcils et disent:” Non, mes patients ne porteront pas cela » », explique Bozkurt. “Vous ne pouvez pas imaginer un avenir pour les wearables sans résoudre le problème de conformité.”
Les gens veulent un appareil confortable, qui ne dépasse pas et qui nécessite peu d’interaction, explique Bozkurt. « Nous appelons cela l’usure et l’oubli.” Vous pourriez comparer cela au port d’un pansement-bien sûr, vous le remarquez de temps en temps, mais la plupart du temps, il s’estompe en arrière – plan, sans interférer avec vos tâches quotidiennes et sans que les autres le remarquent même.
Une montre-bracelet peut sembler assez confortable, mais les applications vont au-delà de ce qu’une montre-bracelet peut permettre, notes Michael Daniele, PhD, membre de l’équipe NC State / ASSIST, qui étudie les nanomatériaux mous pour concevoir des dispositifs qui surveillent, imitent ou complètent les fonctions corporelles.
Des dispositifs portables sont en cours de développement pour aider les patients et même les traiter d’une manière “dans laquelle le confort du patient est une priorité”, dit-il.
Prenez l’utilisation d’électrodes et d’électronique dans les membres inférieurs prothèse les sockets à titre d’exemple, dit-il. « Imaginez quelques vis métalliques enfoncées dans votre membre avec lesquelles vous supportez tout votre poids, ou imaginez-vous en train de remplir votre chaussure d’un éventail de roches. C’est l’état des wearables pour un tel utilisateur.”
OK, Alors Comment Rendre l’Électronique Douce et Extensible?
Une façon est de prendre des choses difficiles utilisées pour surveiller la santé – comme des puces de silicium – et de les rendre si minces qu’elles deviennent flexibles. Parmi les premiers à démontrer ce type de technologie matérielle dans des appareils portables ressemblant à la peau, John Rogers, PhD, en 2011, dans un point de repère Sciences titre de l’article Électronique Épidermique.
” Nous étions très actifs dans ce domaine depuis un certain nombre d’années », explique Rogers, qui était à l’époque à l’Université de l’Illinois et a depuis déménagé à l’Université Northwestern. « Mais ensuite, nous avons réalisé que même le silicium – que la plupart des gens considèrent comme un matériau très rigide et cassant semblable à de la roche-peut être transformé en formes et en formes, et à des épaisseurs qui lui permettent d’être plié et even même étiré.”
Rogers, dont l’équipe a plusieurs applications en développement, utilise une technique de gravure pour raser la surface d’une plaquette de semi-conducteur.
“Il s’avère que toute l’action de ces circuits intégrés se produit sur cette couche très proche de la surface”, dit-il. “Tout le silicium en dessous sert simplement de support mécanique.”
Cette couche critique est ensuite intégrée dans une matrice polymère élastique, explique Rogers, ce qui leur permet de concevoir des systèmes entièrement fonctionnels qui peuvent se plier, se tordre et s’étirer.
D’autres encore utilisent une approche différente, construisant des pièces électroniques à partir de zéro à partir de matériaux intrinsèquement doux et extensibles – des polymères. C’est le genre de travail ingénieur chimiste de Stanford Zhenan Bao, PhD, fait, en utilisant une gamme de polymères aux propriétés conductrices.
“Dans notre travail, nous acquérons une compréhension fondamentale sur la façon de concevoir des molécules de plastique afin qu’elles aient les fonctions et les propriétés que nous voulons”, explique Bao. Pour l’électronique semblable à la peau, les plastiques sont conçus – au niveau moléculaire – pour être conducteurs, élastiques et doux.
L’une des dernières créations du laboratoire de Bao est un polymère qui s’illumine, permettant des affichages visuels ressemblant à de la peau. Elle imagine un patch cutané avec l’écran directement dessus, ou plus loin, un rendez-vous de télésanté où le médecin pourrait voir et sentir la texture de la peau du patient via un écran tridimensionnel et réaliste. Exemple: Un examen pour vérifier la rétention d’eau sévère chez les patients souffrant d’insuffisance cardiaque consiste à appuyer sur la peau pour voir si elle rebondit, dit Bao. Le patient enroulait un autocollant électronique autour de sa jambe et appuyait dessus pour générer un affichage pour le médecin hors site. “Le médecin pourrait sentir sur l’écran la texture de la peau que le patient ressentirait”, dit – elle-depuis un endroit éloigné.
“Bien sûr, c’est encore loin”, note Bao. « Mais c’est ce que je pense être possible qui peut être activé par des écrans et des capteurs de type skin.”
Plus d’Avancées Sauvages: Métaux Liquides, Liaison Plasma, Capteurs Chimiques
D’autres développements se poursuivent. Les progrès des métaux liquides permettent des fils conducteurs extensibles. Les antennes textiles résistantes à l’humidité peuvent transmettre des données lorsqu’elles sont portées près de la peau. Des méthodes comme liaison plasma à la vapeur d’eau fixez des métaux minces à des polymères souples sans perdre en flexibilité ou en utilisant des températures et des pressions élevées qui peuvent endommager l’électronique ultra-mince.
Les capteurs s’améliorent également – c’est la partie qui interagit avec tout ce que vous essayez de mesurer. La plupart des capteurs portables commerciaux sont mécaniques (utilisés pour suivre l’activité physique) ou optiques (rythme cardiaque, oxymétrie de pouls). Mais des capteurs chimiques sont également en cours de développement pour mesurer les marqueurs internes du corps. Ceux-ci sont essentiels pour révéler l’image complète de votre santé, dit Joseph Wang, docteur en sciences et professeur de nanoingénierie à l’Université de Californie à San Diego, qui a publié des recherches sur les biocapteurs et les appareils portables.
Par exemple, une augmentation du lactate et une baisse de la pression artérielle peuvent signifier que vous avez choc septique. La mesure des niveaux de potassium peut donner des informations sur les changements de fréquence cardiaque. Et la combinaison des mesures de la pression artérielle et de la glycémie peut en révéler plus sur la santé métabolique que l’une ou l’autre seule. “Si vous les combinez, vous obtenez de meilleures preuves”, dit Wang.
C’est là que la nouvelle technologie peut devenir vraiment geek. Les capteurs chimiques sont fabriqués à partir de certains des nanomatériaux les plus exotiques, notamment le graphène, les nanotubes de carbone et les nanoparticules d’or, explique Daniele. Certains (capteurs de glucose en particulier) utilisent des enzymes qui se lient aux molécules cibles. D’autres utilisent des aptamères, de courts brins simples d’ADN ou d’ARN.
Les capteurs chimiques fonctionnent généralement avec des fluides corporels tels que la sueur, la salive, les larmes ou, comme c’est le cas pour les glucomètres en continu, le liquide interstitiel (le liquide entre les cellules de votre corps).
“La plupart des choses que vous voulez mesurer dans le sang, vous pourrez le faire dans le liquide interstitiel si vous avez la technologie des capteurs”, dit-il Jason Heikenfeld, PhD, professeur de génie électrique à l’Université de Cincinnati. Imaginez avoir un bilan sanguin complet en mettant simplement un patch cutané, aucun échantillon de sang requis.
Heikenfeld a également étudié la sueur, qui semble utile pour mesurer les niveaux d’hormones (telles que celles qui régulent le stress, le sexe et le sommeil) et la surveillance des médicaments sur ordonnance – c’est-à-dire surveiller les niveaux d’un médicament dans le corps et suivre la rapidité avec laquelle il est métabolisé, dit-il.
Les capteurs de transpiration peuvent également trouver leur place dans les tests à domicile, dit Heikenfeld. “S’il y avait un prix du public pour les fluides biologiques, la sueur gagnerait”, dit-il. “Nous ne voulons pas faire de sang, ne voulons pas baver dans une tasse, ne voulons pas jouer avec un bâtonnet d’urine. Larmes, oublie ça. Le test serait un simple patch que vous tapotez sur votre bras; recueillir un peu de liquide, le mettre dans une enveloppe et l’envoyer à un laboratoire.”
Sources d’alimentation portables: Au-delà des piles AA
Si vous souhaitez créer un appareil électronique extensible et flexible, vous aurez besoin d’un moyen extensible, flexible et même lavable pour l’alimenter. Beaucoup d’appareils portables d’aujourd’hui, comme les montres intelligentes, sont alimentés par des batteries très petites mais toujours rigides, dit Bao. D’où la forme volumineuse.
“Il y a certainement une forte demande pour des batteries à haute densité d’énergie et vraiment flexibles”, dit-elle.
Cette demande a incité des chercheurs du monde entier à développer des batteries capables de s’étirer et de fléchir. Pour ne citer que quelques exemples récents, des chercheurs canadiens ont mis au point un batterie flexible et lavable qui peut s’étirer pour doubler sa longueur d’origine et toujours fonctionner. À Singapour, des scientifiques ont créé un batterie en zinc biodégradable ultra-fine que vous pouvez plier et tordre et même couper avec des ciseaux-comme n’importe quel morceau de papier – et cela fonctionnera toujours. D’autres encore transforment les batteries en longues bandes qui peuvent être utilisées dans des vêtements intelligents.
Une autre option est l’alimentation sans fil, dit Bao. La batterie n’a pas besoin d’être dans l’appareil – elle peut être dans vos vêtements ou votre poche et alimenter les capteurs. Le laboratoire de Bao à Stanford a développé un portable semblable à un autocollant appelé BodyNet qui peut être chargé en utilisant l’identification par radiofréquence, la même technologie utilisée pour contrôler l’entrée sans clé dans les pièces verrouillées.
D’autres encore – comme Misra et ses collègues d’ASSIST-explorent des alternatives à la batterie comme la récupération d’énergie ou la conversion de la chaleur corporelle, de l’énergie solaire ou du mouvement en énergie.
Misra travaille sur un générateur d’énergie capable de convertir la différence de température entre votre peau et la pièce en énergie pour alimenter un appareil. “Vous avez une température de la peau de, disons, 98,6 degrés”, dit-elle. “La température dans votre chambre est probablement d’environ 70 degrés Fahrenheit. Et cette différence de température de 28 degrés peut être perdue à travers un appareil appelé générateur thermoélectrique, qui peut convertir cette différence d’énergie en puissance.”
Imaginez: Plus besoin de s’inquiéter de la mort de la batterie, de la mouiller ou d’avoir à la recharger. ” Votre corps est la batterie », dit Misra.
Quelle est la prochaine étape
Pour que les wearables atteignent vraiment leur plein potentiel, toutes les pièces doivent devenir plus économes en énergie et se réunir dans un ensemble flexible et extensible, explique Misra. Ils doivent également être conçus de manière à ce que des millions, voire des milliards de personnes, veuillent les porter.
Tout aussi important: les appareils destinés au monde médical doivent fournir des données de qualité supérieure. Si les données collectées ne sont pas l’étalon-or, à quoi cela sert-il? Et toutes ces données doivent être transformées en informations utiles. C’est là qu’interviennent l’analyse des données, l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle. ” Ce ne sont pas des problèmes insolubles“, dit Misra, » mais ce sont des problèmes passionnants sur lesquels une grande partie de la communauté travaille.”
Conclusion: Notre avenir portable est en bonne voie.