Des électrodes peignables pourraient alimenter des capteurs portables créatifs et colorés
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Des ingénieurs de l'Université de Penn State allient art et science pour créer de jolis tatouages à peindre qui pourraient aider à détecter précocement les crises cardiaques, alimenter des prothèses robotiques et lire les ondes cérébrales — le tout au sein d'un système coloré et personnalisable qui peut être facilement effacé ou réappliqué.
L'équipe a conçu et déposé un brevet provisoire pour une encre conductrice capable d'alimenter des capteurs et d'être appliquée directement sur la peau selon le motif imaginable. Pigmentée dans n'importe quelle couleur, cette encre 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 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 fonctionnent grâce à des électrodes fixées sur le corps, explique Larry Cheng , professeur de génie mécanique et de sciences de l'ingénieur à Penn State et auteur principal de l'article. Ces électrodes permettent d'interpréter l'état de 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 sont convertis en électroencéphalographie (EEG), qui reflètent l'activité neuronale du patient ; l'activité cardiaque est convertie en électrocardiogramme (ECG), ce qui permet de mesurer la fréquence cardiaque du patient pendant l'effort et d'enregistrer une image détaillée de l'activité électrique du cœur afin de détecter d'éventuels problèmes ; enfin, l'activité musculaire est convertie en électromyographie (EMG) pour suivre les contractions musculaires.
Les électrodes traditionnelles utilisent des matériaux rigides à base de métal qui offrent une bonne stabilité, mais peinent à rester en place lors de mouvements ou d'exercices physiques. De nombreux modèles expérimentaux, comme ceux sur lesquels Cheng travaille depuis plus de dix ans , utilisent un matériau souple et gélatineux appelé hydrogel, capable d'absorber l'eau et de gonfler pour s'étirer et mieux épouser les mouvements du corps. Cependant, ce matériau peut se déshydrater avec le temps, ce qui entraîne une perte d'adhérence et d'élasticité des électrodes lors d'une utilisation prolongée.
Wanqing Zhang, doctorante en sciences de l'ingénieur et mécanique et première auteure de l'article, explique que ce n'est pas seulement le décollement des électrodes qui contribue à la moindre précision des mesures des capteurs, mais aussi l'application même de ces derniers. De nombreux capteurs commerciaux peinent à enregistrer avec précision ce qui se passe à l'intérieur du corps d'un patient, notamment lorsqu'ils sont appliqués sur une peau poilue ou transpirante.
« La plupart des électrodes commerciales sont préfabriquées en laboratoire ou en usine, puis appliquées sur la peau. Il en résulte un espace d'air entre la peau et l'électrode, ce qui nuit à la précision de la détection », explique Zhang. « Pour remédier à ce problème, nous avons mis au point une encre conductrice qui peut être appliquée directement sur la peau. Après séchage, elle fait office d'électrode fonctionnelle. »
La vidéo ci-dessus montre comment l'encre conductrice de l'équipe peut épouser les contours du corps, même en mouvement. Crédit : Wanqing Zhang
Ne portez pas un écusson banal : prenez un pinceau et peignez le vôtre !
L'équipe a mélangé différents types de polymères (ou plastiques) et des additifs acides dans une solution aqueuse pour créer l'encre. Celle-ci a la consistance de la colle lorsqu'elle est humide, mais elle sèche sur la peau en moins de 10 minutes, a précisé Zhang. Le séchage peut être accéléré à l'aide d'un sèche-cheveux.
« L'encre se comporte presque comme du maquillage », explique Cheng. « Elle est initialement presque transparente, mais on peut la pigmenter avec du colorant alimentaire pour obtenir les couleurs nécessaires et réaliser le motif de son choix, comme un dessin animé ou Superman. Cela nous permet de personnaliser entièrement le vêtement selon les préférences de chacun. »
L'équipe a décoré les capteurs avec des motifs et des couleurs variés, notamment des animaux comme le renard illustré ci-dessus, parmi d'autres personnages mignons. Crédit : Wanqing Zhang .
En plus d'être personnalisables, les capteurs alimentés par leurs électrodes se révèlent extrêmement réactifs, selon l'équipe. Zhang explique que l'application directe du matériau sur la peau permet une meilleure adaptation à sa texture, améliorant ainsi la précision des mesures. Pour une meilleure stabilité entre les électrodes et les capteurs, une zone de connexion est appliquée sur un textile argenté poreux – semblable à un tissu métallique – placé sur la peau.
L'encre, encore humide, imprègne le textile avant de durcir et d'adhérer à la surface cutanée. Cette zone de connexion est ensuite clipsée sur un port du module électrique principal, lui-même fixé sous les vêtements. Ce module transmet sans fil, via Bluetooth, les signaux électriques captés par l'encre à un ordinateur.
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 à l’interface des électrodes sur plusieurs jours, ce qui peut provoquer des irritations ou un décollement de la peau », explique Cheng. « Grâce à une structure poreuse, l’humidité et les poils peuvent mieux s’évacuer, ce qui rend les électrodes plus conductrices, adhérentes et confortables. »
Dans une expérience, l'équipe a démontré que les électrodes peintes permettaient de suivre efficacement l'électrocardiogramme d'un co-auteur pendant ses activités quotidiennes, et ce, pendant 12 heures. Dans un autre test, un co-auteur a suivi son électrocardiogramme pendant une séance d'entraînement, prouvant ainsi que les électrodes conservent leur adhérence et leur précision même lors d'un effort physique. Dans un autre test encore, l'équipe a enregistré les signaux électromyographiques de l'avant-bras d'un co-auteur et les a transmis à une prothèse robotique, lui permettant ainsi de contrôler la main robotisée sans la toucher.
« Bien que nous ayons testé l'application en usage quotidien 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, il serait possible d'avoir un module de détection plus coûteux, indépendant du système, tandis que les électrodes elles-mêmes seraient jetables. Un seul flacon d'encre suffirait à enduire plusieurs électrodes sur une période de plusieurs jours ou d'une semaine. »
L'équipe prévoit de poursuivre le développement de ses électrodes afin de permettre une détection plus précise des biomarqueurs de santé tels que le cortisol ou le glucose. Cheng a indiqué qu'en plus d'étudier une application commerciale pour les professionnels de santé comme les pédiatres, l'équipe explore des applications uniques, notamment en biologie végétale, pour créer des « plantes intelligentes » capables de fournir aux scientifiques des informations détaillées sur l'exposition chimique dans un environnement et ses impacts potentiels sur la santé des plantes.