Wearables, nanotecnología y la electrónica vestible

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Diferentes campos de aplicações de nanomateriais em wearables. a) Máscara facial à base de nanofibras com gerenciamento térmico. b) Roupas com aquecimento e resfriamento personalizados. c) luva aquecedora. d) Térmica de regulação têxtil. e) Exoesqueleto têxtil. f) Aquecedor esticável. g) liberação de droga desencadeada por estiramento.

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Wearables electronica vestible en la medicina

Courtesy Nanowerk: Wearables– Relojes inteligentes, rastreadores de ejercicios, prendas inteligentes, accesorios médicos inteligentes, guantes de datos: el mercado de la electrónica vestible está evolucionando rápidamente más allá del cuidado de la salud, el acondicionamiento físico y el bienestar hacia el entretenimiento y las aplicaciones comerciales e industriales.

La electrónica vestible consta de varias áreas: sensores, actuadores, electrónica y fuente de alimentación o generación. Mientras que la primera generación consistió principalmente en componentes desmontables, la segunda generación se está moviendo hacia sensores, actuadores y soluciones terapéuticas con incrustaciones de textiles (lea nuestro anterior Nanowerk Spotlight: «Nanotecnología en textiles: el nuevo negro»; tenemos una colección de focos en electrónica portátil).

Uno de los desafíos clave es el requisito de lograr y combinar diferentes propiedades como la flexibilidad, la comodidad del usuario y la capacidad para que el dispositivo esté en miniatura y a la moda. Para hacer esto, los investigadores están haciendo uso de diferentes materiales como nanotubos de carbono, grafeno, polímeros y elastómeros y compuestos dieléctricos. Estos se adaptan a la aplicación específica en función de sus diferentes comportamientos característicos sobre diferentes estímulos.

Un artículo de revisión en Materiales avanzados («Importancia de los nanomateriales en wearable: una revisión de los actuadores y sensores portátiles»), investiga la contribución de los nanomateriales en el campo de los vestibles (wearable) con un enfoque en los actuadores y sensores. Los autores discuten las aplicaciones actuales de los nanomateriales en este campo y abordan los diferentes materiales y métodos que se utilizan.

Actuadores vestibles – Wearables

Los actuadores reaccionan a una señal eléctrica o estímulos generados desde una unidad de procesamiento o una señal captada directamente desde un sensor. Dichos estímulos pueden desarrollarse por medios mecánicos, térmicos, químicos o magnéticos, mientras que las reacciones pueden dar como resultado deformaciones estructurales, fuerza o movimiento, calentamiento, ruido o incluso liberación de sustancias.

El desarrollo de e-textiles y telas inteligentes ha ampliado las aplicaciones de los actuadores portátiles. Contribuido a este desarrollo hemos incorporado elementos de calefacción en los vestibles; dispositivos terapéuticos basados ​​en nanocompuestos; músculos artificiales y actuadores musculares; dispositivos de rehabilitación; y sistemas de administración de fármacos portátiles.

Para incorporarse a la electrónica portátil y flexible, la selección del material es muy importante. Según sus aplicaciones, deben tener suficiente resistencia, rigidez estructural y flexibilidad y deben poder proporcionar una cantidad suficiente de fuerza de accionamiento. Además, deben poseer comodidad y biocompatibilidad especialmente para los sistemas de administración de fármacos y sistemas terapéuticos.

Sin embargo, los materiales de transductores tradicionales como los materiales piezoeléctricos, los materiales magnetoestrictivos y los compuestos de tunelización cuántica son muy difíciles de integrar en materiales flexibles debido a su poca flexibilidad. Esto ha llevado a la exploración de diferentes grupos de materiales y al desarrollo de nuevos nanocompuestos y otros materiales, incluidas las nanopartículas metálicas, polímeros electroactivos, polímeros conductores, líquidos iónicos, nanotubos de carbono, grafeno y aleaciones con memoria de forma.
Con esta variedad de materiales y sus aplicaciones, los investigadores han seguido diferentes procesos de fabricación, como electrohilado, recubrimiento por pulverización, tejido, tejido y fundición de soluciones.

Representación esquemática del sistema de administración de fármacos con conjunto de micropump. (© Wiley-VCH Verlag)

Sensores vestibles – Wearables

Los sensores nanomateriales detectan un estímulo externo y lo convierten en una señal medible, que luego se puede transferir a una unidad de procesamiento o un dispositivo de monitoreo.

La aparición de sensores en nuestra vida cotidiana ha revolucionado la calidad de vida del ser humano. Tome un teléfono inteligente moderno: puede fijar, agregar y mostrar con precisión la posición y orientación de los usuarios al integrar muchos sensores como giroscopio, acelerómetro, magnetómetro y barómetros en concierto.

Pero se espera que los sensores portátiles sean las aplicaciones más viables y posibles en un futuro próximo. Los dispositivos vestibles ~wearables equipados con una serie de sensores simplificados, como la temperatura, los sensores de tensión para la postura y el movimiento del cuerpo, los biosensores para el control de enfermedades y los sensores multifuncionales para la detección de la expresión de voz y facial pueden enviar datos en tiempo real a un sistema central de procesamiento y monitoreo.

Los sensores vestibles deben ser ligeros y flexibles, exhibir rendimientos mecánicos y térmicos superiores para evitar que se dañen, y deben ser de bajo costo.
La baja flexibilidad y consistencia de los sistemas de sensores tradicionales basados ​​en metal rígido y materiales semiconductores los hace en gran medida inadecuados para sensores portátiles.

Los sensores vestibles requieren nuevos enfoques en el diseño de materiales y estructuras para poseer una alta flexibilidad, capacidad de estiramiento, sensibilidad y amplio rango de detección.

Esto llevó a los investigadores a explorar nuevos nanocompuestos y nanomateriales para sensores vestibles – wearable. La elección de nanomateriales para sensores vestibles considera principalmente las propiedades de los materiales, la tecnología de procesamiento y la posibilidad de producción a gran escala. Especialmente, los nanomateriales y nanocompuestos 1D, incluidos los nanocables metálicos y las nanofibras, se están utilizando ampliamente.

Para obtener la capacidad de estiramiento a gran escala de los nanomateriales, además de utilizar todos los materiales intrínsecamente estirables, muchos investigadores han adoptado estrategias de diseño estructural avanzadas para mejorar el comportamiento de deformación a nivel del sistema, como estructuras onduladas, formas de herradura, serpentinas filamentosas o estructuras fractales y Estructuras porosas incluyendo esponjas y espumas.
Los sensores basados ​​en nanomateriales se preparan principalmente incorporando nanomateriales en sustratos flexibles o elásticos, como fibra, tejido o matriz de polímero. Para fabricar sensores vestibles basados ​​en nanomateriales, los investigadores utilizan predominantemente el revestimiento por centrifugación, el revestimiento por pulverización, la fundición por goteo, el revestimiento por inmersión, el montaje capa por capa, la filtración al vacío y las técnicas de impresión directa o escritura.

Sensores de temperatura vestibles basados ​​en nanomateriales. a) Ilustración esquemática de la combinación de E-piel de la presión-temperatura derivada de la seda, imagen SEM de una membrana de fibra de carbono derivada de la seda y fotografía del sensor (© Wiley-VCH Verlag)
Ya, los investigadores han demostrado varios sensores vestibles innovadores con excelente rendimiento mediante la síntesis de nanomateriales y nanocompuestos que incorporan los nanomateriales existentes: sensores de tensión / movimiento; sensores de presión; sensores de temperatura; y sensores multifuncionales.

Estos sensores vestibles pueden colocarse o incrustarse en la ropa o adherirse a partes del cuerpo como el dedo, la muñeca, el brazo, la garganta, el pecho y la pierna. Otros se pueden incrustar en accesorios de uso tales como guantes, relojes, aretes, collares, broches, etc.
Por Michael Berger: Michael es autor de dos libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology and Nanotechnology: The Future is Tiny. Copyright © Nanowerk

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