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Dec 08, 2023

Qu'est-ce qu'un tatouage électronique ?

Imaginez un monde où l'équipement médical de qualité clinique — l'activité cérébrale

Imaginez un monde où l'équipement médical de qualité clinique - scanners d'activité cérébrale, moniteurs de fréquence cardiaque et capteurs de pression artérielle - pourrait être placé sur un minuscule autocollant imperceptible pour le porteur. C'est la promesse de la technologie du tatouage électronique.

Un tatouage électronique est un appareil portable souple avec des capteurs intégrés qui se fixe à la peau du porteur et transmet des données sans fil. Les tatouages ​​électroniques peuvent se fixer n'importe où sur le corps de l'utilisateur et peuvent être utilisés pour suivre n'importe quoi, des impulsions électriques du corps à la composition chimique de la sueur du porteur.

Les tatouages ​​électroniques sont des appareils portables souples équipés de capteurs qui se fixent à la peau d'une personne et sont généralement utilisés pour recueillir des données. Ces appareils sont souvent fabriqués à partir de matériaux conducteurs, comme le graphène, le carbone ou les polymères conducteurs, qui leur permettent de mesurer les biopotentiels ou les signaux électriques émanant du corps du porteur. (Par exemple : les impulsions musculaires, la fréquence cardiaque et l'activité cérébrale.) Ils peuvent également être équipés d'autres capteurs, notamment des accéléromètres, qui suivent les mouvements, des capteurs de température ou même des capteurs qui mesurent la composition chimique de la sueur du porteur.

La principale différence entre les tatouages ​​électroniques et les appareils portables traditionnels - comme les montres intelligentes et les moniteurs de fréquence cardiaque à sangle de poitrine portés pendant l'exercice - est le facteur de forme souple, leur permettant de se fixer à des parties du corps où vous ne pouvez pas facilement attacher un appareil rigide pendant de longues périodes. périodes (essentiellement n'importe où sauf le poignet). L'utilisation de matériaux flexibles et fins permet également un contact beaucoup plus étroit avec la peau du porteur qu'un capteur rigide ne pourrait le faire, ce qui est essentiel pour mesurer de manière fiable les impulsions électriques du corps. Le résultat est un appareil plus confortable à porter qu'un appareil portable traditionnel et qui, dans de nombreux cas, peut capturer des données qui, jusqu'à récemment, ne pouvaient être recueillies que dans un laboratoire ou un hôpital.

Parce que les tatouages ​​électroniques sont conçus pour être portés en continu, ils permettent aux chercheurs et aux professionnels de la santé de collecter des données qui auraient auparavant été impossibles ou d'un coût prohibitif à suivre. Les tatouages ​​électroniques qui capturent l'activité cérébrale et le mouvement des yeux, par exemple, pourraient être appliqués aux sujets de recherche dans une simulation de conduite distraite qui ressemble étroitement à un scénario du monde réel. Et dans un établissement de soins de santé, un tatouage électronique pourrait être utilisé pour la surveillance continue à domicile d'un patient qui aurait autrement dû rester à l'hôpital pour observation.

"Il y a beaucoup d'élan dans cet espace, et une traduction réussie de cette technologie pour l'ensemble de la population changera vraiment notre façon de penser à la surveillance de l'état de santé et à la prestation de soins de santé", a déclaré John Rogers, directeur du Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. à l'Université Northwestern et co-auteur d'un article de recherche majeur publié dans Science en 2011 décrivant le domaine émergent des tatouages ​​électroniques. "Il a le potentiel de réduire les coûts et d'améliorer les résultats pour les patients."

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Les tatouages ​​électroniques attachent des capteurs à la peau avec un adhésif - essentiellement comme un autocollant ultra-mince. Ces capteurs transmettent sans fil des données à un appareil doté d'un récepteur, comme le smartphone du porteur ou un appareil dédié. Certains tatouages ​​électroniques incorporent également de fines couches de matériaux conducteurs qui captent les impulsions électriques subtiles, ou biopotentiels, que notre corps émet lorsque nous bougeons, pensons et interagissons avec le monde à travers nos sens.

"Le corps est vraiment une machine électrique", a déclaré Deji Akinwande, chercheur en nanotechnologie et professeur à l'Université du Texas à Austin. "Chaque partie du corps a des signaux électriques caractéristiques qui sont en corrélation avec des fonctions spécifiques."

Parce que l'électricité cherche le chemin de moindre résistance et parce que le corps humain n'est pas entièrement isolé pour l'électricité, une partie de ces signaux passe du corps à la couche conductrice du tatouage électronique. Les signaux peuvent ensuite être mesurés par un capteur qui se fixe sur le matériau conducteur.

"Le corps est vraiment une machine électrique... Chaque partie du corps a des signaux électriques caractéristiques qui sont en corrélation avec des fonctions spécifiques."

Pour les appareils qui mesurent les biopotentiels - et en particulier les faibles, comme les signaux émis par le cerveau - il est important que le matériau conducteur se conforme le plus possible à la peau, maximisant ainsi la surface de contact. Cela pose un plus grand défi qu'on ne pourrait l'imaginer car même dans les zones où la peau semble relativement plate, comme votre bras ou votre front, il existe de nombreuses petites irrégularités qui peuvent entraîner un mauvais contact ou des données bruyantes causées par le frottement des matériaux les uns contre les autres. lorsque le porteur bouge.

Historiquement, ce défi a été surmonté dans les milieux cliniques en utilisant un gel conducteur qui comble ces lacunes. Mais grâce aux progrès de la nanotechnologie, les chercheurs sont désormais capables de créer des membranes suffisamment fines - dans certains cas l'épaisseur d'un seul atome de carbone - pour éliminer le besoin de gels.

"En fonction du matériau et de l'état de la peau, nous pouvons obtenir une impédance de contact aussi faible, voire parfois inférieure, que les électrodes en gel", a déclaré Nanshu Lu, chercheur principal au Lu Research Group de l'UT Austin et co-auteur de l'article scientifique de 2011.

Cependant, de nombreux tatouages ​​électroniques utilisent des matériaux conducteurs moins chers et plus épais, surtout s'ils captent des signaux plus forts, comme ceux émis par le cœur. Et certains ne mesurent pas du tout les signaux électriques, s'appuyant plutôt sur des accéléromètres ou des capteurs de température, ou sur la composition chimique de la sueur du porteur.

Les couches conductrices des tatouages ​​électroniques peuvent être réalisées à partir de matériaux conducteurs purs, comme l'or ou le carbone. Pour atteindre la flexibilité requise pour ces applications, l'or est étiré en rubans minces en forme de S et le carbone est disposé dans un réseau hexagonal bidimensionnel (le carbone disposé de cette manière est communément appelé graphène).

Les couches d'électrodes peuvent également être réalisées à l'aide de polymères conducteurs, comme le PEDOT, qui ne sont pas aussi minces que le graphène mais ont l'avantage d'être à la fois conducteurs ioniquement et électroniquement. La conductivité ionique rend les appareils plus sensibles car les propres signaux du corps sont ioniques, ce qui compense l'épaisseur supplémentaire et la diminution de la surface de contact, a déclaré Lu. Mais ces matériaux sont tous chers, ce qui pousse certains chercheurs à opter plutôt pour des matériaux composites.

"Vous pouvez utiliser une matrice polymère électriquement non conductrice - comme une matrice en caoutchouc ou PDMS, ou Ecoflex ou polyuréthane - et ensuite vous ajoutez des charges conductrices, par exemple des nanotubes de carbone, des nanofils d'argent, des particules de noir de carbone ou des flocons de graphène", a déclaré Lu. "L'avantage est qu'il est très bon marché. Vous n'avez pas besoin d'une grande surface de graphène ou d'argent sans défaut. Vous avez juste besoin de quelques nanoparticules et ensuite vous le mélangez."

Les tatouages ​​électroniques utilisés aujourd'hui sont temporaires et, dans de nombreux cas, conçus pour ne durer que quelques jours. Cela est principalement dû au fait que la couche d'électrode d'un tatouage électronique - la partie contenant les matériaux adhésifs et conducteurs - se dégrade et se détache de la peau avec le temps. Pour cette raison, la réduction du coût des matériaux sera importante pour une adoption généralisée.

Cependant, des matériaux moins chers ne sont pas le seul moyen de réduire les coûts. Lu a déclaré que les chercheurs de son laboratoire travaillaient également dur pour séparer l'électronique qui lit et transmet les signaux de la couche jetable, afin que ces composants puissent être réutilisés ou recyclés, plutôt que jetés avec le reste du tatouage. À l'avenir, cela pourrait conduire à des appareils dotés de composants électroniques durables et rechargeables et de couches d'électrodes jetables qui se fixent à la peau.

Et parce que les tatouages ​​électroniques sont encore un type de technologie relativement nouveau, les chercheurs se concentrent encore plus sur la fonctionnalité que sur la durabilité et la longévité. Akinwande s'attend à une vague d'innovations visant à faire durer les tatouages ​​électroniques plus longtemps une fois que ces appareils seront plus largement adoptés.

"Cela nécessite simplement de nombreux partenariats entre les universitaires et les entités d'utilisation finale comme les hôpitaux et les entreprises", a-t-il déclaré.

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Les tatouages ​​électroniques ont un large éventail d'applications potentielles, y compris la recherche comportementale et les contrôles d'entrée pour les robots et les jeux vidéo. Mais comme pour les autres technologies portables, l'innovation en matière de tatouage électronique est aujourd'hui principalement axée sur la santé et le bien-être.

Les tatouages ​​électroniques peuvent être utilisés pour surveiller les signes vitaux des bébés nés prématurément. En raison de leur risque accru de maladie, d'invalidité et de décès, les signes vitaux des bébés nés avant 37 semaines de grossesse sont généralement surveillés en permanence dans une unité néonatale de soins intensifs, ou USIN. Cette surveillance implique généralement de coller des capteurs filaires sur la peau du patient, ce qui peut entraîner des douleurs et des blessures car la peau est sous-développée et fragile.

Pour résoudre ce problème, Rogers et une équipe de chercheurs de l'Université Northwestern ont développé des tatouages ​​électroniques qui surveillent tous les signaux capturés par les capteurs NICU traditionnels - fréquence cardiaque, fréquence respiratoire, température corporelle et oxygène sanguin - ainsi que des points de données supplémentaires comme le débit sanguin, le sang pression et mesures séparées de la température corporelle centrale et de la température de surface. Et parce qu'ils sont légers et sans fil, ces tatouages ​​peuvent utiliser des adhésifs seulement un dixième de ceux utilisés pour les capteurs traditionnels, ce qui les rend plus doux pour la peau du patient. De plus, les dispositifs de surveillance sans fil peuvent réduire le stress des parents car ils peuvent permettre une surveillance continue après avoir quitté l'hôpital.

Une fois que ces appareils seront plus largement adoptés, l'ajout de nouveaux capteurs et l'analyse des résultats avec l'apprentissage automatique pourraient également permettre aux médecins de détecter plus tôt les signes de problèmes, selon Rogers.

"Nous avons un accéléromètre à large bande passante qui capte les vibrations cutanées associées aux bruits gastro-intestinaux, aux bruits respiratoires et aux pleurs", a-t-il déclaré. "Je pense que c'est une trajectoire vraiment puissante à laquelle réfléchir – ne pas s'arrêter aux seuls signes vitaux traditionnels, mais capturer tout un éventail de caractéristiques qui peuvent être transmises via des réseaux de neurones."

À l'heure actuelle, nous ne savons pas exactement comment les schémas de pleurs, l'activité gastro-intestinale et les contractions musculaires sont en corrélation avec les problèmes de santé nécessitant une intervention. Mais au fil du temps, les algorithmes peuvent être formés pour détecter des modèles qui seraient trop subtils pour qu'un observateur humain les remarque, ce qui pourrait à son tour conduire à des interventions plus précoces et à de meilleurs résultats pour la santé.

Les tatouages ​​électroniques peuvent être utilisés pour améliorer les soins de santé des patients atteints de troubles neurologiques comme la maladie de Parkinson, la paralysie cérébrale et la maladie d'Alzheimer. En mesurant les impulsions électriques ou les mouvements physiques à l'aide d'accéléromètres, ces appareils peuvent aider les prestataires de soins à comprendre la fréquence et la gravité des mouvements involontaires - des données qui peuvent être utilisées pour ajuster les médicaments ou modifier l'horaire d'un patient afin de rendre les tâches quotidiennes plus gérables. Les futurs appareils pourraient également être utilisés pour mesurer les médicaments contre la maladie de Parkinson dans la sueur du patient, ce qui pourrait ajouter un autre point de données pouvant aider à calibrer les soins aux patients, a déclaré Rogers.

"Ceci est vraiment rendu possible par la possibilité de placer ces appareils à n'importe quel endroit de l'anatomie du patient... Il est difficile d'imaginer attacher une Apple Watch à votre cou."

L'équipe de Rogers a également travaillé sur des appareils qui se montent à la base du cou du porteur pour identifier les problèmes de déglutition - une complication courante chez les patients atteints de divers troubles neurologiques, y compris la maladie d'Alzheimer - et fournir un retour haptique ou visuel qui rappelle aux patients d'avaler plus fréquemment. et les aide à avaler au bon moment dans le cycle respiratoire.

"Ceci est vraiment rendu possible par la possibilité de placer ces appareils à n'importe quel endroit de l'anatomie du patient", a déclaré Rogers. "Il est difficile d'imaginer attacher une Apple Watch à votre cou."

Plus tôt cette année, Akinwande et une équipe de chercheurs de l'UT Austin et de la Texas A&M University ont développé un tatouage électronique capable de mesurer en continu la pression artérielle du porteur avec un degré élevé de précision. Akinwande a déclaré que son équipe avait décidé de se concentrer sur la pression artérielle car c'est le seul des quatre signes vitaux communément reconnus - température corporelle, pouls, fréquence respiratoire et tension artérielle - qui ne peut pas être facilement surveillé tout au long de la journée dans un cadre réel. .

Le tatouage électronique conçu par l'équipe d'Akinwande stimule la peau avec un léger courant électrique et mesure l'impédance électrique, ou résistance, lorsque le courant traverse le corps. Ces mesures sont introduites dans un algorithme d'apprentissage automatique qui utilise ces données pour déduire la pression artérielle du porteur.

La pression artérielle est traditionnellement mesurée à l'aide d'un brassard gonflable, ce qui oblige le patient à rester assis et est trop volumineux pour être transporté pour des mesures répétées tout au long de la journée. Un appareil conçu pour une mesure continue, en revanche, permettrait de recouper les mesures de la pression artérielle avec d'autres données pour fournir des informations sur l'impact de l'alimentation, de l'exercice, du sommeil et des niveaux de stress sur la pression artérielle dans un cadre réel. Cela pourrait aider les médecins à recommander des changements de mode de vie spécifiques et à suivre leur impact, ou même à mesurer l'efficacité des médicaments que le patient utilise pour traiter l'hypertension artérielle.

Les signaux recueillis à partir des muscles du porteur par des tatouages ​​électroniques peuvent être utilisés pour contrôler des robots avec des gestes. Cela pourrait ressembler à un bras robotique qui reflète les mouvements du vrai bras du porteur, ou à un drone qui peut être contrôlé par de subtils mouvements de la main. La technologie pourrait également être utilisée pour contrôler les membres prothétiques.

Bien que la technologie du tatouage électronique puisse théoriquement remplacer les montres intelligentes et autres appareils portables, il est peu probable qu'elle le fasse de sitôt. La fréquence cardiaque et la respiration, les signes vitaux les plus pertinents pour le suivi de la condition physique, sont suffisamment puissants pour être captés avec une montre-bracelet ou une ceinture pectorale, et un facteur de forme plus grand facilite l'ajout de fonctionnalités telles que les accéléromètres et le suivi de la localisation, sans parler des batteries. nécessaires pour les alimenter tous.

Mais les tatouages ​​électroniques peuvent être utilisés pour mesurer des choses que les appareils portables traditionnels ne peuvent pas mesurer, comme l'activité cérébrale pendant la méditation, par exemple. Et Epicore Biosystems, une startup technologique dont Rogers est co-fondateur, s'est associée à la marque de nutrition sportive Gatorade pour créer une bouteille intelligente et un patch cutané compagnon qui mesurent l'apport d'eau et la perte d'électrolytes à travers la peau du porteur.

Parce qu'ils permettent des mesures continues lorsque le porteur se déplace, les tatouages ​​électroniques peuvent être utilisés pour rechercher le comportement humain et l'attention d'une manière qui n'était pas possible auparavant. Les tatouages ​​électroniques pourraient être utilisés pour mesurer l'activité cérébrale et les mouvements oculaires des chauffeurs de camion, des pilotes de ligne ou des opérateurs de machinerie lourde afin de déterminer combien de temps ils peuvent passer en toute sécurité entre les pauses avant que leur attention ne commence à dériver.

En appliquant une gamme de tatouages ​​électroniques et d'autres capteurs sur le corps d'une personne, Akinwande a déclaré que les chercheurs peuvent également se rapprocher de la réalisation de la vision d'un jumeau numérique : une représentation virtuelle d'une personne qui peut être utilisée pour identifier les changements de style de vie personnels qui peuvent améliorer la longévité. , ou même choisir entre des options de traitement pour une maladie en fonction des résultats de patients présentant des caractéristiques similaires.

Lu, pour sa part, a déclaré que la technologie pourrait être utilisée pour développer de meilleures interfaces entre les humains et les assistants robotiques. En surveillant les humains lorsqu'ils interagissent avec les robots à la maison et sur les lieux de travail, les ingénieurs peuvent identifier plus facilement les moments de stress et les pannes de communication et adapter le comportement et la conception du robot pour les éviter.

Les tatouages ​​électroniques pourraient être utilisés pour diriger un avatar dans une réalité virtuelle ou un métaverse avec des gestes physiques, ou même fournir un retour haptique ciblé, permettant des expériences VR plus immersives. Mais la technologie pourrait également être utilisée pour améliorer la télémédecine en fournissant aux médecins des données de signes vitaux en temps réel tout au long d'un examen virtuel.

"Vous pourriez faire passer la télémédecine au niveau supérieur", a déclaré Akinwande. "Vous pourriez presque reproduire une visite en personne. C'est l'idée derrière la méta-santé."

Parce que les tatouages ​​électroniques sont si polyvalents, il est probable que leur utilisation se généralisera dans les années à venir, en particulier dans les établissements de santé où la surveillance efficace des patients peut être une question de vie ou de mort. Cependant, l'adoption à grande échelle des tatouages ​​électroniques au niveau des consommateurs nécessitera probablement que les appareils deviennent plus durables ou si bon marché et facilement recyclables que les consommateurs n'hésiteront pas à les utiliser et à les éliminer. (Selon un communiqué de presse de la Northwestern University, le capteur NICU de Rogers coûte environ 10 $ - pas cher pour un appareil médical mais cher pour un tracker d'exercice à usage unique ou un accessoire VR.)

Au-delà de la surveillance, les tatouages ​​électroniques pourraient être utilisés pour administrer des produits pharmaceutiques à travers la peau ou stimuler des parties du corps pour favoriser la rééducation. À mesure que la technologie du tatouage électronique progresse, on pourrait imaginer un appareil autonome qui mesure les signes vitaux liés à un état de santé chronique et libère automatiquement des médicaments au besoin.

"Vous surfez sur la vague d'activités de développement dans l'industrie de l'électronique grand public et des gadgets. Toutes les lignes de tendance vont dans la bonne direction : des batteries plus petites, des composants électroniques plus économes en énergie, des empreintes plus petites. Cela se fera assez naturellement."

Selon Rogers, le défi de généraliser les tatouages ​​électroniques se résume en grande partie à la logistique et aux opérations, car de nombreux hôpitaux ne disposent pas de l'équipement sans fil et des capacités de stockage de données nécessaires pour utiliser efficacement ces appareils. Pour surmonter cet obstacle, son équipe s'est concentrée sur l'établissement de relations avec les fournisseurs d'équipements de surveillance hospitaliers existants qui peuvent s'associer à eux pour créer l'infrastructure requise.

Et côté ingénierie, les tatouages ​​électroniques deviendront de plus en plus faciles à réaliser avec le temps.

"Nous n'avons pas à enfreindre les lois de la physique", a déclaré Rogers. "Vous surfez sur la vague d'activités de développement dans l'industrie de l'électronique grand public et des gadgets. Toutes les lignes de tendance vont dans la bonne direction : des batteries plus petites, des composants électroniques plus économes en énergie, des empreintes plus petites. Cela se fera assez naturellement."