Un capteur magnétoélastique souple mesure la fatigue due aux mouvements du globe oculaire en temps réel

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs en électronique ont développé des capteurs de plus en plus sophistiqués, capables de mesurer avec fiabilité un large éventail de signaux physiologiques, notamment la fréquence cardiaque, la pression artérielle, la fréquence respiratoire et la saturation en oxygène. Ces capteurs ont été utilisés pour créer des dispositifs portables biomédicaux et grand public, faisant progresser la recherche et le suivi en temps réel de paramètres liés à la santé, tels que la qualité du sommeil et le stress physiologique.

La fatigue, un état mental caractérisé par une baisse des performances due au stress, au manque de sommeil, à une activité excessive ou à d'autres facteurs, s'est avérée plus difficile à quantifier de manière fiable. La plupart des méthodes existantes pour mesurer la fatigue reposent sur des enquêtes demandant aux participants d'indiquer leur niveau de fatigue, une méthode d'enregistrement de l'activité électrique cérébrale appelée électroencéphalographie (EEG) ou des systèmes utilisant des caméras.

La plupart de ces approches sont peu fiables ou ne sont applicables qu'en laboratoire, car elles reposent sur des évaluations subjectives, des équipements encombrants ou des environnements contrôlés. Ces limitations empêchent leur déploiement à grande échelle dans les situations quotidiennes.

Des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont récemment développé un nouveau type de capteur souple capable de mesurer de manière fiable le niveau de fatigue oculaire. Présenté dans un article publié dans Nature Electronics , ce nouveau dispositif permet de déterminer la fréquence des clignements des yeux en suivant les variations des propriétés magnétiques d'un matériau sous l'effet d'une contrainte mécanique.

« Notre étude est partie d'une question simple : comment surveiller la fatigue en situation réelle ? » a expliqué Jing Xu, doctorant à l'UCLA. « Nous savons depuis longtemps que la fatigue ne se résume pas à une simple sensation de fatigue : c'est une dégradation progressive des performances du corps ou de l'esprit. Elle s'installe discrètement, affectant l'attention, le temps de réaction et même la sécurité physique. Pourtant, mesurer la fatigue hors laboratoire et à l'aide d'un appareil portable a toujours été un défi. »

L'objectif principal de l'étude menée par cette équipe de recherche était de développer un nouveau dispositif de détection permettant de mesurer la fatigue de manière fiable, en temps réel et hors laboratoire. En étudiant les effets physiologiques de la fatigue, ils ont rapidement compris qu'il était possible de prédire le niveau de fatigue d'une personne en fonction de ses clignements des yeux.

« Il y a quelque chose de subtil et révélateur dans le comportement de vos yeux lorsque vous êtes fatigué », explique Xu. « La fréquence des clignements change, la vitesse ralentit et les schémas commencent à changer. Mais pouvions-nous capturer ces changements en continu, confortablement et en conditions réelles ? Nous y étions convaincus, et nous avons donc créé quelque chose de totalement nouveau. »

Le capteur souple développé par les chercheurs peut être appliqué délicatement contre la paupière, y adhérant comme une seconde peau. Il est particulièrement extensible, ne nécessite pas de piles pour fonctionner et réagit rapidement à chaque clignement des yeux.

Pour fabriquer le capteur, l'équipe a modelé une bobine d'or conductrice sur un fin élastomère thermoplastique. Cet élastomère a ensuite été placé sur un film magnétoélastique rempli de minuscules aimants.

« Ce dispositif convertit les mouvements des paupières en signaux électriques haute fidélité, traduisant ainsi chaque clignement en données », explique Xu. « Ce qui le rend unique, ce n'est pas seulement la technologie, mais aussi son impact potentiel. Il s'agit d'un système entièrement portable, autonome et doté d'une transmission sans fil intégrée, conçu pour une utilisation quotidienne, non seulement en clinique ou en laboratoire de recherche, mais aussi partout où la fatigue est importante : en déplacement, en classe ou dans des emplois exigeants. »

Une photographie du capteur de l'équipe monté sur une paupière humaine montre une interface conforme avec le tissu de la paupière lorsque l'œil est fermé. Crédit : Jun Chen Lab/UCLA.

Qu'ils soient portables ou implantables, les dispositifs bioélectroniques doivent pouvoir fonctionner de manière fiable dans des environnements très humides, car ils seront inévitablement exposés à la sueur ou aux fluides corporels internes. Or, la plupart des capteurs existants pour la surveillance des signaux physiologiques ne sont pas intrinsèquement étanches.

« Améliorer leur résistance à l'eau nécessite généralement des couches d'encapsulation supplémentaires, qui augmentent souvent l'épaisseur de l'appareil et dégradent les performances, comme la réduction de la sensibilité », a déclaré le Dr Jun Chen, professeur associé à l'UCLA qui a dirigé et supervisé l'étude.

Le fonctionnement du capteur développé par les chercheurs repose sur les variations du champ magnétique, ces forces invisibles qui entourent les matériaux magnétiques. Ces forces pouvant pénétrer l'eau et n'étant pas affectées par l'humidité, le Dr Chen explore depuis longtemps leur potentiel pour créer des dispositifs intrinsèquement étanches.

« Historiquement, la magnétoélasticité n'a été observée que dans les métaux et alliages rigides depuis sa découverte en 1865, nécessitant des pressions mécaniques pouvant atteindre 10 MPa, des conditions incompatibles avec l'électronique souple et flexible », explique le Dr Chen. « J'ai émis l'hypothèse qu'il serait possible d'étendre l'effet magnétoélastique aux systèmes polymères souples. »

En 2021, l'équipe de recherche du Dr Chen à l'UCLA a découvert pour la première fois un effet magnétoélastique majeur dans les composites polymères souples. Plus précisément, ils ont constaté que lorsque ces matériaux étaient soumis à des pressions mécaniques, le flux des champs magnétiques qui les traversaient était significativement modifié.

« Cette étude révolutionnaire a démontré que la magnétoélasticité pouvait être obtenue dans des matériaux souples, avec des seuils de pression réduits à environ 10 kPa, facilement réalisables grâce à des activités biomécaniques naturelles telles que le rythme cardiaque, la respiration et le mouvement oculaire », a déclaré le Dr Chen.

Son équipe est aujourd'hui à l'avant-garde du développement de ce nouveau domaine de la bioélectronique magnétoélastique souple, et s'efforce de l'appliquer à un large éventail de technologies biomédicales et de santé. La contribution la plus novatrice de mon laboratoire au cours des cinq dernières années a été la découverte de l'effet magnétoélastique géant dans les matériaux souples , ouvrant de nouvelles perspectives aux applications bioélectroniques.

L'effet observé par les chercheurs dans les composites polymères souples, également appelé effet magnétoélastique, avait déjà été observé dans d'autres matériaux par le passé. Découvert par le physicien italien Emilio Villari en 1865, il a jusqu'à présent principalement été observé dans les métaux et alliages métalliques rigides soumis à un champ magnétique externe.

« Après avoir rejoint l'UCLA, j'ai dirigé mon groupe de recherche vers la découverte de l'effet magnétoélastique géant dans un système polymère souple, puis dans un aimant fluidique permanent liquide », explique le Dr Chen. « L'effet magnétoélastique géant a été couplé à l'induction magnétique pour inventer un générateur magnétoélastique souple (MEG), une plateforme technologique fondamentalement nouvelle pour la conception de bioélectronique souple alimentée par le corps humain. »

La bioélectronique magnétoélastique, intrinsèquement étanche et souple, développée par le Dr Chen et son équipe de recherche pourrait potentiellement servir à créer une large gamme de capteurs. Outre la mesure de la fatigue, elle permettrait de prédire d'autres paramètres importants liés à la santé, ainsi que les changements environnementaux.

« Cette avancée a ouvert des voies alternatives pour des applications pratiques centrées sur le corps humain en matière d’énergie, de détection et de thérapie », a déclaré le Dr Chen.

« Grâce aux efforts continus de mon groupe de l'UCLA, la découverte de l'effet magnétoélastique géant dans les systèmes mous a été largement introduite dans divers domaines de recherche en tant que mécanisme de travail fondamentalement nouveau, y compris la bioélectronique liquide injectable et récupérable, la détection acoustique liquide, la surveillance des ondes de pouls, la parole sans cordes vocales, la détection haptique, la surveillance cardiovasculaire implantable, la surveillance de la respiration, la physiothérapie musculaire, l'interface homme-machine , la thermorégulation personnelle, voire le vent, les vagues d'eau et la récupération d'énergie biomécanique. »

Le nouveau capteur de mesure de la fatigue développé par cette équipe de chercheurs pourrait bientôt être amélioré et commercialisé. Parallèlement, les chercheurs travaillent sur d'autres dispositifs bioélectroniques exploitant les effets magnétoélastiques géants découverts lors de leurs travaux antérieurs.

« Dans une perspective plus large, l’effet magnétoélastique géant dans les systèmes mous représente une découverte scientifique transformatrice, mais son plein potentiel théorique et expérimental reste à exploiter », a ajouté le Dr Chen.

Son groupe est profondément engagé à développer une compréhension globale de ce phénomène et à l'exploiter comme plateforme fondamentale pour une nouvelle classe de technologies intelligentes et réactives. En explorant son intégration dans un large spectre d'applications, de la bioélectronique à la robotique souple, nous nous efforçons de catalyser des avancées qui redéfinissent l'interface entre les matériaux et le vivant, favorisant ainsi de profonds progrès sociétaux et une productivité future.

https://techxplore.com/news/2025-09-soft-magnetoelastic-sensor-fatigue-eyeball.html