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Jun 22, 2023

Ultra

Un artículo publicado en Nature Communications postuló que un tatuaje electrónico de grafeno

Un artículo publicado en Nature Communications postuló que un tatuaje electrónico de grafeno (GET) en la palma de la mano podría monitorear la actividad electrodérmica ambulatoria (EDA), que puede ser un indicador del estrés mental.

Investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad Texas A&M buscaron desarrollar un sensor EDA que no sufriera las mismas fallas que los sensores existentes, como diseños obstructivos y estigmatizantes que no son compatibles con el uso en el mundo real. Los investigadores desarrollaron previamente un GET imperceptible con un grosor submicrónico, pero tuvieron dificultades para conectar el GET con las placas de circuito rígidas necesarias para procesar y transmitir los datos de EDA. En este estudio, se desarrolló una nueva versión de GET y se probó su capacidad para informar datos de EDA en condiciones del mundo real.

El GET se compone de 2 cintas serpentinas heterogéneas que están parcialmente recubiertas de oro y libres de adhesivo. El GET va acompañado de una muñequera que alberga la placa de circuito rígido y los electrodos que se conectan a las 2 cintas serpentinas que permiten el monitoreo inalámbrico de EDA en tiempo real.

En un experimento de prueba de concepto, 5 participantes usaron el GET y un sensor basado en gel de comparación mientras miraban un video de 13 minutos con 5 escenarios diseñados para provocar expectativas, respuestas emocionales incontroladas, emocionales controladas y de habituación.

Durante las pruebas, las respuestas de EDA medidas por GET tendieron a tener menos desviaciones en el nivel de conductancia de la piel y una salida de respuesta de conductancia de la piel similar en comparación con el sensor de gel. Sin embargo, no se observaron diferencias significativas entre las salidas (todas P > 0,05), lo que indica que la salida de EDA medida por GET fue sólida en comparación con un dispositivo existente basado en gel.

Para probar el GET en escenarios de uso y movimiento del mundo real, los investigadores intentaron movimientos típicos de la mano, como apretar, doblar la muñeca, agarrar un teléfono celular y empujar. Durante los movimientos, el GET registró pequeños artefactos de movimiento que diferían de las señales de respuesta de conductancia de la piel y podían identificarse y eliminarse fácilmente de la salida.

Para probar la durabilidad del GET, se realizaron 300 ciclos de frotamiento de metal para simular escribir en una computadora portátil más 300 ciclos de frotamiento de madera para simular el trabajo en un escritorio, exposición momentánea al agua y experimentos de humedad ambiental. El sensor GET sobrevivió tanto a la fricción como a las perturbaciones del agua con resultados de EDA comparables antes y después de las condiciones experimentales.

Un participante usó el sensor GET durante largos períodos de tiempo. En tres sesiones de monitoreo de EDA ininterrumpidas de 15 horas de duración que incluyeron hacer ejercicio, conducir y dormir, el GET no requirió reemplazo.

En situaciones en las que el sensor GET dejó de informar la salida de EDA, no se encontraron fallas mecánicas con el dispositivo GET. En cambio, la capa de oro sobre poliimida se rompió en el área donde el componente de oro tenía la tensión máxima.

No se informaron efectos adversos de irritación de la piel.

Este sensor GET es la primera interfaz extensible que tiene la capacidad de monitorear la EDA ambulatoria en condiciones de movimiento libre del mundo real.

¿Podría explicar en términos generales sus intereses de investigación?

Durante los últimos 11 años, mi laboratorio ha estado diseñando una variedad de calcomanías de tatuajes electrónicos no invasivos portátiles que se pueden colocar en diferentes áreas y ubicaciones de la piel para medir diferentes datos biométricos. El objetivo es digitalizar el cuerpo humano, al igual que digitalizamos un automóvil o un avión, para que podamos saber qué sucede con el cuerpo humano en términos de su rendimiento, emociones, etc. Los wearables actuales, como los relojes inteligentes o los anillos inteligentes, solo tienen ubicaciones y modalidades limitadas. Pero, en realidad, cada centímetro de nuestra piel irradia datos. Las actividades cerebrales irradian EEG (electroencefalograma), latidos cardíacos ECG (electrocardiograma) y SCG (sismocardiograma), y músculos EMG (electromiograma). Ese tipo de señales deben medirse justo encima del tejido objetivo. Es por eso que queremos tener una red de sensores distribuidos para medir simultáneamente señales multimodales desde múltiples ubicaciones. Sin embargo, los dispositivos portátiles comerciales aún se basan en dispositivos electrónicos rígidos que, por lo general, son bastante voluminosos y no son compatibles con nuestras superficies de piel suaves y con curvas. Es por eso que estamos construyendo los tatuajes electrónicos que son ultradelgados, ultrasuaves, básicamente, delgados como el cabello y suaves como la piel, pero electrónicamente funcionales. Son dispositivos portátiles similares a calcomanías de tatuajes temporales. No son permanentes, y podemos incorporarles sensores, procesadores, chips Bluetooth y baterías.

¿Cuáles son los desarrollos que discutió en este documento?

Nuestra palma es un lugar especial para actividades electrotérmicas o EDA. Eso es porque nuestra palma tiene la mayor densidad de glándulas sudoríparas ecrinas, que están controladas por nervios simpáticos. Cuando tenemos estrés mental o cambios emocionales, ese tipo de respuestas nerviosas simpáticas no se pueden controlar conscientemente porque la EDA es una respuesta periférica. Ya se usa ampliamente como un indicador de estrés mental para pacientes con problemas de salud mental o respuestas emocionales durante los juegos o las interacciones entre humanos y robots. Desarrollamos el sensor GET EDA ultradelgado para capturar estas señales, pero la palma es difícil de diseñar porque la usamos todo el tiempo. Nuestro sensor es delgado y suave y es imperceptible, por lo que es probable que no tenga un estigma social durante su uso.

¿Cómo percibe que se utilizará esta tecnología en el futuro?

Hemos demostrado el uso del entorno de vida libre ambulatorio. Tiene que funcionar durante el ejercicio, el sueño, el trabajo, el estudio, la conducción y las compras. Esperamos que en el futuro, este pueda ser un sensor cotidiano que pueda monitorear continuamente eventos emocionales estimulantes para los pacientes, o que pueda usarse directamente para médicos o pilotos durante el entrenamiento para ver qué tan emocionalmente responden a las máquinas con las que están tratando.

En su publicación, utiliza el sensor en un experimento de prueba de concepto para demostrar que mostró una respuesta al estímulo. ¿Tiene algún plan futuro para colaborar con otras partes en un entorno más clínico para validar el instrumento?

Sí, de hecho estamos buscando un buen colaborador en el espacio de la salud mental o la psiquiatría para seguir avanzando en esta tecnología. Actualmente, solo tenemos colaboradores que trabajan en el campo de la interacción humano-robot que están interesados ​​​​en aplicar esto. Estamos interesados ​​en encontrar un colaborador que quiera probar el sensor para uso clínico.

¿Cuáles son sus planes de futuro para esta línea de investigación?

También estamos desarrollando sensores cerebrales para monitorear el sistema nervioso central. Estamos muy interesados ​​en observar las respuestas de los nervios centrales y periféricos cuando las personas están expuestas a diferentes condiciones o manejan diferentes máquinas. Desde el punto de vista tecnológico, estos tatuajes ópticamente imperceptibles podrían usarse no solo en la palma de la mano, sino también en la cara porque la gente no puede verlos. Podemos realizar todo tipo de medidas de potencial eléctrico o conductancia cutánea. Previamente, aplicamos sensores GET alrededor de los ojos para monitorear la rotación ocular. Y demostramos que el uso de movimientos oculares podía controlar un dron. Miraste a la izquierda con un dron [y] volaría a la izquierda. Entonces, este tatuaje electrónico también podría ser una interfaz directa hombre-máquina.

Jang H, Sel K, Kim E, et al. Tatuajes electrónicos de grafeno para la detección de actividad electrodérmica ambulatoria no obstructiva en la palma habilitada por cintas serpentinas heterogéneas. Nat Comun. 2022;13(1):6604. doi:10.1038/s41467-022-34406-2