Circuitos integrados em fio da Tufts University podem tornar monitores de saúde vestíveis quase invisíveis

Eletrônicos capazes de dobrar, esticar e se mover como um fio comum podem, em breve, fazer com que monitores de saúde vestíveis praticamente se misturem às roupas.

Engenheiros desenvolveram circuitos integrados flexíveis construídos diretamente sobre fios, o que permite que eletrônicos complexos enrolem, dobrem e se acomodem ao corpo humano de forma natural.

Essa abordagem pode, no futuro, resultar em peças de roupa que acompanham a saúde de maneira contínua e em sensores que observam a respiração sem equipamentos volumosos. A ideia também abre caminho para suturas eletrônicas capazes de acompanhar a cicatrização dentro do corpo.

Sob a liderança de Sameer Sonkusale, professor de engenharia da Tufts University, o grupo produziu esses circuitos usando materiais macios e um processo de fabricação que dispensa uma sala limpa cara.

O que surge daí é um tipo de eletrônica que se comporta menos como hardware tradicional e mais como o tecido que já usamos no dia a dia.

Colocando circuitos inteiros em um fio

Para fazer isso acontecer, Sonkusale e sua equipa montaram, em formato de fio, cada parte de um circuito integrado complexo.

Isso inclui transistores, sensores e os demais elementos do circuito - em vez de recorrer a uma superfície plana convencional.

Trata-se de uma mudança importante em relação ao modo como a eletrônica costuma ser fabricada, e isso abre espaço para dispositivos que se comportam mais como tecido do que como equipamento rígido.

“Ao transferir a eletrônica de remendos planos para fios de forma livre, abrimos um caminho para a bioeletrônica vestível que se parece mais com fibras do que com hardware”, disse Sonkusale.

“Eles serão macios, elásticos e capazes de acompanhar o formato do corpo, em vez de obrigar o corpo a se adaptar ao dispositivo. Eles podem até, potencialmente, ser usados como suturas para monitorar processos dentro do corpo.”

Monitores de saúde que quase não se percebem

Dispositivos vestíveis já são comuns. Mais de um terço dos adultos nos EUA utiliza relógios inteligentes ou anéis inteligentes, e muitos deles oferecem algum tipo de acompanhamento de saúde.

Os circuitos integrados baseados em fio podem levar essa tendência ainda mais longe. Monitores de saúde poderiam ser tecidos diretamente em roupas, em interfaces macias ou em fios que ficam em contacto com a pele.

Em vez de repousarem de modo rígido sobre o corpo, esses dispositivos poderiam acompanhar os movimentos de forma natural. E as aplicações em saúde vão muito além de medir desempenho físico.

Os pesquisadores destacam, por exemplo, suturas que conseguem observar diretamente a cicatrização de feridas.

Sensores em fio também poderiam acompanhar padrões de movimento associados a declínio cognitivo ou ao risco de quedas em pacientes mais velhos. E, inclusive, detectar irregularidades respiratórias em bebés.

Em cenários como esses, um sensor macio e discreto pode ser muito mais relevante do que um dispositivo rígido convencional.

Fios eletrônicos mostram o potencial

Como demonstração inicial do conceito, o grupo apresentou circuitos capazes de amplificar sinais vindos de sensores sensíveis.

Eles montaram um dispositivo pensado para ficar na têmpora e identificar o piscar dos olhos. Outro foi colocado próximo ao diafragma para acompanhar alterações nos padrões e na frequência da respiração.

Os dois testes apontam para um futuro com sistemas vestíveis macios e baseados em fios. Esses dispositivos poderiam acompanhar indicadores de saúde, como stress ou função respiratória, quase sem serem notados por quem os usa.

“A plataforma tecnológica ainda está em fases iniciais”, afirmou o autor principal Wenxin Zeng, doutorando em engenharia elétrica na Tufts.

“Mas esperamos melhorar a velocidade e a precisão da fabricação, bem como a capacidade dos circuitos integrados baseados em fio de executar funções mais complexas.”

A tecnologia por trás do fio

No centro de cada dispositivo eletrônico, há um fio fino com revestimento de ouro. Pequenos transistores totalmente flexíveis são conectados a esse fio.

Esses transistores são os blocos fundamentais de qualquer dispositivo digital. Um material condutor, semelhante a um plástico, faz a ligação entre eles e o fio de ouro em ambos os lados.

O fluxo de elétrons através do transistor é ligado e desligado de forma parecida com uma torneira. Uma segunda corrente funciona como porta de controlo, atuando essencialmente como uma válvula.

A inovação que viabiliza o conjunto é um material chamado gel eutético.

Esse gel cria uma separação com menos de 1 mm entre duas extremidades do fio eletrônico. Nesse espaço, o fluxo de elétrons pode ser controlado com precisão dentro de um resistor, capacitor, sensor ou outro componente feito em formato de fio.

Tentativas anteriores de outros grupos usaram hidrogéis para conexões semelhantes, mas esses materiais tendem a ressecar com o tempo.

O gel eutético elimina esse problema, mantendo-se estável, macio e seguro para contacto prolongado sobre ou dentro do corpo.

Circuitos que podem se reparar

O gel eutético traz ainda um benefício inesperado: ele confere ao transistor uma capacidade real de autorreparo.

Se o gel se rompe, os pesquisadores observaram que basta juntar as partes quebradas novamente e aplicar um aquecimento suave para recuperar tanto a estrutura mecânica quanto a função elétrica.

O fio eletrônico em si não pode ser reparado caso seja realmente cortado. Ainda assim, os componentes de gel no coração de cada transistor podem ser reunidos de novo.

Essa característica pode aumentar a vida útil prática desses dispositivos de um jeito que a eletrônica rígida simplesmente não consegue igualar.

Reduzindo o custo da eletrônica flexível

Ao contrário dos circuitos integrados tradicionais, esses circuitos baseados em fio não exigem sala limpa durante a fabricação.

Em geral, circuitos convencionais dependem de fotolitografia, que deposita com precisão camadas de materiais padronizados sobre uma superfície, ou de outros métodos de processamento em alta temperatura.

Isso torna a proposta muito mais compatível com polímeros macios e materiais semelhantes a têxteis.

E, sobretudo, abre a possibilidade de uma fabricação realmente de baixo custo - um ponto que pode ser decisivo se essa tecnologia algum dia sair do laboratório e chegar às roupas do quotidiano.

Crédito da imagem: Wenxin Zeng