Le groupe de recherche de Sihong Wang se concentre sur le développement de matériaux et de dispositifs polymères souples capables de fusionner l’électronique et les systèmes biologiques. Crédit : Sihong Wang
Des appareils électroniques semblables à la peau pourraient s’intégrer parfaitement au corps pour des applications dans le domaine de la surveillance de la santé, de la pharmacothérapie, des dispositifs médicaux implantables et des études biologiques.
Avec l’aide du Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation, Sihong Wang, professeur adjoint de génie moléculaire à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’université de Chicago, a obtenu des brevets pour les éléments constitutifs de ces nouveaux dispositifs.
S’appuyant sur des innovations dans les domaines de la physique des semi-conducteurs, de la mécanique des solides et des sciences de l’énergie, ces travaux comprennent la création de semi-conducteurs et de réseaux de transistors en polymère étirable, qui offrent des performances électriques exceptionnelles, des propriétés semi-conductrices élevées et une extensibilité mécanique. En outre, Sihong Wang a mis au point des nanogénérateurs triboélectriques, une nouvelle technologie permettant de récolter de l’énergie à partir des mouvements de l’utilisateur, et a conçu le processus de stockage d’énergie associé.
L’objectif est de combiner ces avancées pour mettre au point des dispositifs qui pourraient être collés sur la peau d’un utilisateur ou à l’intérieur du corps afin de détecter les signaux vitaux en temps réel de manière « beaucoup plus » efficace que les options actuellement disponibles, a déclaré Wang, ajoutant que ce travail fait partie des domaines qui progressent le plus rapidement en science des matériaux et en génie électronique.
« Au cours de la dernière décennie, cette orientation générale de développement d’une électronique capable de travailler plus intimement avec le corps humain a vraiment attiré beaucoup d’attention de la part du monde universitaire et de l’industrie », précise Sihong Wang. « Parce que les gens ont vu le grand écart et aussi la grande opportunité ici d’avoir l’électronique qui fonctionne pour le corps humain d’une manière plus intime. »
Saisissant cette opportunité, Wang oriente ses recherches dans plusieurs directions. « Nous avons créé une nouvelle structure et déposé un brevet par l’intermédiaire de Polsky sur la base de nos développements pour un nouveau type de capteur de pression, qui peut s’étirer comme la peau mais dont les performances ne changent pas », explique Sihong Wang.
En collaboration avec ses collègues Stacy Lindau, MD, MA, professeur d’obstétrique et de gynécologie et de médecine-gériatrie et directeur d’un laboratoire de recherche de la division des sciences biologiques, et Sliman Bensmaia, James and Karen Frank Family Professor of Organismal Biology and Anatomy, Wang utilise ce capteur pour créer un système neural-prothétique qui serait implanté sous la peau des patientes ayant subi une mastectomie. Baptisé « Bionic Breast Project », l’objectif est de restaurer les sensations dans la zone du sein.
« Ces capteurs peuvent fonctionner de la même manière que les récepteurs du sein qui détectent le contact physique ou le mouvement, en les convertissant en un signal électrique », souligne Sihong Wang.
Ces capteurs pourraient également être utilisés pour développer ce que l’on appelle une peau électronique pour les robots mous, en leur donnant la capacité de sentir et de percevoir de nouvelles façons. Dans les cinq prochaines années, cependant, M. Wang a déclaré qu’il s’attend à ce que les applications les plus immédiates de ce travail soient un dispositif qui extrait plusieurs types de signaux du corps, comme le pouls et la pression sanguine. Et c’est exactement ce qu’ils font.
À l’avenir, l’objectif est de détecter les signaux de différents biomarqueurs dans la sueur.
« Dans la pratique médicale actuelle, le seul moyen d’obtenir un panel d’informations biochimiques est de procéder à une analyse de sang, ce qui est non seulement invasif mais aussi non instantané », a noté Sihong Wang. « Ce serait un autre grand changement de jeu pour la façon dont chacun peut obtenir son état de santé d’une manière beaucoup plus efficace et fréquente. » Sihong Wang a récemment publié les deux premiers travaux décrivant la stratégie pour réaliser des biocapteurs étirables avec une sensibilité et une sélectivité élevées.
Écrans extensibles et traitement des données sur le corps par l’IA
Un autre élément essentiel des dispositifs semblables à la peau est un écran flexible permettant de communiquer avec les utilisateurs. Pour cela, Wang et son groupe ont développé un autre nouveau type de matériau important : les polymères électroluminescents. Hautement efficace, ce polymère émet une lumière vive et conserve ses performances lorsqu’il est étiré.
Pour compléter leurs travaux, l’équipe étudie également la possibilité de combiner ces dispositifs avec l’intelligence artificielle (IA).
« Nous pensons qu’à l’avenir, le succès des dispositifs portables résidera dans leur capacité à extraire et à surveiller en permanence les informations de santé du corps humain », assure Sihong Wang. « Les données générées seront alors véritablement des « big data » par rapport à aujourd’hui, où l’on ne dispose que d’instantanés d’un rapport de test. »
Comme pour tous les ensembles de données, la prochaine question est de savoir comment analyser et extraire efficacement et à haut débit des informations de santé utiles.
« Nous essayons de développer un nouveau type de dispositif et de plateforme informatique qui peut vraiment mettre en œuvre efficacement l’IA ou l’algorithme d’apprentissage automatique directement sur la peau ou sur le corps sans dépendre du déplacement ou de la transmission d’informations sans fil vers un emplacement informatique central, comme le cloud », a expliqué Sihong Wang. « L’analyse peut être beaucoup plus rapide et vous n’avez pas le risque de perdre des informations de santé très privées à cause de ces transmissions sans fil. »
La plateforme informatique à base de semi-conducteurs est un « ordinateur à réseau neuronal », inspiré du fonctionnement du cerveau.
« En fin de compte, nous pouvons aider à réaliser une médecine de précision », a déclaré Sihong Wang. « Pour chaque individu, les données que l’appareil collecte peuvent être analysées par le biais d’un programme personnalisé qui vous donne les choses les plus utiles et les plus efficaces à faire, fournissant une intervention en boucle fermée pour contrôler votre santé. »
À terme, l’objectif est de créer quelque chose qui imite le cerveau humain non seulement dans ses propriétés mécaniques, mais aussi dans son fonctionnement et ses opérations. « Globalement, jusqu’à présent, l’IA a été davantage un champ de recherche en informatique », conclut Sihong Wang. « Mais pour nous, en tant que scientifiques des matériaux, nous travaillons sur ce sujet sous un angle différent ».
https://techxplore.com/news/2022-09-stretchable-self-powered-bioelectronics-mimic-skin.html
