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Dec 08, 2023

¿Qué es un tatuaje electrónico?

Imagine un mundo donde el equipo médico de grado clínico: la actividad cerebral

Imagine un mundo en el que los equipos médicos de grado clínico (escáneres de actividad cerebral, monitores de frecuencia cardíaca y sensores de presión arterial) puedan colocarse en una pequeña etiqueta que es imperceptible para el usuario. Esa es la promesa de la tecnología de tatuaje electrónico.

Un tatuaje electrónico es un dispositivo portátil suave con sensores integrados que se adhiere a la piel del usuario y transmite datos de forma inalámbrica. Los tatuajes electrónicos pueden adherirse a cualquier parte del cuerpo del usuario y pueden usarse para rastrear cualquier cosa, desde los impulsos eléctricos del cuerpo hasta la composición química del sudor del usuario.

Los tatuajes electrónicos son dispositivos portátiles suaves equipados con sensores que se adhieren a la piel de una persona y generalmente se usan para recopilar datos. Estos dispositivos a menudo están hechos de materiales conductores, como grafeno, carbono o polímeros conductores, que les permiten medir biopotenciales o señales eléctricas que emanan del cuerpo del usuario. (Por ejemplo: impulsos musculares, frecuencia cardíaca y actividad cerebral). También pueden equiparse con otros sensores, incluidos acelerómetros, que rastrean el movimiento, sensores de temperatura o incluso sensores que miden la composición química del sudor del usuario.

La diferencia clave entre los tatuajes electrónicos y los dispositivos portátiles tradicionales, como los relojes inteligentes y los monitores de frecuencia cardíaca con correa para el pecho que se usan durante el ejercicio, es el factor de forma suave, lo que les permite adherirse a partes del cuerpo donde no podría adherirse fácilmente a un dispositivo rígido durante períodos prolongados. períodos (básicamente en cualquier lugar menos en la muñeca). El uso de materiales flexibles y delgados también permite un contacto mucho más cercano con la piel del usuario que el que podría lograr un sensor rígido, lo cual es esencial para medir de manera confiable los impulsos eléctricos del cuerpo. El resultado es un dispositivo que es más cómodo de usar que un dispositivo portátil tradicional y que, en muchos casos, puede capturar datos que hasta hace poco solo podían recopilarse en un laboratorio u hospital.

Debido a que los tatuajes electrónicos están diseñados para usarse continuamente, permiten a los investigadores y profesionales médicos recopilar datos que antes habría sido imposible o prohibitivamente costoso rastrear. Los tatuajes electrónicos que capturan la actividad cerebral y el movimiento de los ojos, por ejemplo, podrían aplicarse a sujetos de investigación en una simulación de conducción distraída que se parece mucho a un escenario del mundo real. Y en un entorno de atención médica, un tatuaje electrónico podría usarse para el monitoreo continuo en el hogar de un paciente que, de lo contrario, habría tenido que permanecer en el hospital para observación.

"Se está generando un gran impulso en este espacio, y una traducción exitosa de esta tecnología para la población en general realmente cambiará la forma en que pensamos sobre el monitoreo del estado de salud y la prestación de atención médica", dijo John Rogers, director del Instituto de Bioelectrónica Querrey Simpson. en la Universidad Northwestern y coautor de un importante artículo de investigación publicado en Science en 2011 que describe el campo emergente de los tatuajes electrónicos. "Tiene el potencial de reducir costos y mejorar los resultados para los pacientes".

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Los tatuajes electrónicos adhieren sensores a la piel con un adhesivo, esencialmente como una calcomanía ultrafina. Estos sensores transmiten datos de forma inalámbrica a un dispositivo con un receptor, como el teléfono inteligente del usuario o un dispositivo dedicado. Algunos tatuajes electrónicos también incorporan capas delgadas de materiales conductores que captan los sutiles impulsos eléctricos, o biopotenciales, que emiten nuestros cuerpos cuando nos movemos, pensamos e interactuamos con el mundo a través de nuestros sentidos.

"El cuerpo es realmente una máquina eléctrica", dijo Deji Akinwande, investigador de nanotecnología y profesor de la Universidad de Texas en Austin. "Cada parte del cuerpo tiene señales eléctricas características que se correlacionan con funciones específicas".

Debido a que la electricidad busca el camino de menor resistencia y debido a que el cuerpo humano no está totalmente aislado de la electricidad, una parte de estas señales salta del cuerpo a la capa conductora del tatuaje electrónico. Luego, las señales se pueden medir con un sensor que se adhiere al material conductor.

"El cuerpo es realmente una máquina eléctrica... Cada parte del cuerpo tiene señales eléctricas características que se correlacionan con funciones específicas".

Para los dispositivos que miden biopotenciales, y especialmente los débiles, como las señales que emite el cerebro, es importante que el material conductor se ajuste lo más posible a la piel, maximizando así la superficie de contacto. Esto plantea un desafío mayor de lo que uno podría imaginar porque incluso en áreas donde la piel parece relativamente plana, como el brazo o la frente, hay muchas pequeñas irregularidades que pueden provocar un contacto deficiente o datos ruidosos causados ​​por el roce de los materiales entre sí. a medida que el usuario se mueve.

Históricamente, este desafío se ha superado en entornos clínicos mediante el uso de gel conductor que llena estos vacíos. Pero gracias a los avances en nanotecnología, los investigadores ahora pueden crear membranas lo suficientemente delgadas, en algunos casos del grosor de un solo átomo de carbono, para eliminar la necesidad de geles.

"Según el material y la condición de la piel, podemos lograr una impedancia de contacto tan baja, o incluso más baja, que los electrodos de gel", dijo Nanshu Lu, investigador principal del Lu Research Group de UT Austin y coautor de el artículo científico de 2011.

Sin embargo, muchos tatuajes electrónicos usan materiales conductores más baratos y gruesos, especialmente si están capturando señales más fuertes, como las emitidas por el corazón. Y algunos no miden las señales eléctricas en absoluto, sino que se basan en acelerómetros o sensores de temperatura, o en la composición química del sudor del usuario.

Las capas conductoras de los tatuajes electrónicos pueden fabricarse con materiales conductores puros, como el oro o el carbono. Para lograr la flexibilidad requerida para estas aplicaciones, el oro se estira en finas cintas en forma de S y el carbono se organiza en una red hexagonal bidimensional (el carbono dispuesto de esta manera se denomina comúnmente grafeno).

Las capas de electrodos también se pueden fabricar con polímeros conductores, como PEDOT, que no son tan delgados como el grafeno pero tienen la ventaja de ser conductores tanto iónicos como electrónicos. La conductividad iónica hace que los dispositivos sean más sensibles porque las propias señales del cuerpo son iónicas, lo que compensa el grosor adicional y la disminución de la superficie de contacto, dijo Lu. Pero todos estos materiales son caros, lo que hace que algunos investigadores opten por materiales compuestos.

"Se puede usar una matriz polimérica eléctricamente no conductora, como una matriz de goma o PDMS, Ecoflex o poliuretano, y luego agregar rellenos conductores, por ejemplo, nanotubos de carbono, nanocables de plata, partículas de negro de humo o escamas de grafeno", dijo Lu. "El beneficio es que es muy barato. No necesitas una hoja de gran área de grafeno o plata impecable. Solo necesitas algunas nanopartículas y luego las mezclas".

Los tatuajes electrónicos que se usan hoy en día son temporales y, en muchos casos, solo están diseñados para durar unos días. Esto se debe principalmente a que la capa de electrodos de un tatuaje electrónico, la parte que contiene el adhesivo y los materiales conductores, se degrada y se desprende de la piel con el tiempo. Por esta razón, reducir el costo de los materiales será importante para una adopción generalizada.

Sin embargo, los materiales más baratos no son la única forma de reducir los costos. Lu dijo que los investigadores en su laboratorio también están trabajando arduamente para separar los componentes electrónicos que leen y transmiten señales de la capa desechable, de modo que estos componentes puedan reutilizarse o reciclarse, en lugar de desecharse con el resto del tatuaje. En el futuro, esto podría conducir a dispositivos con componentes electrónicos duraderos y recargables y capas de electrodos desechables que se adhieren a la piel.

Y debido a que los tatuajes electrónicos siguen siendo un tipo de tecnología relativamente nuevo, los investigadores aún se centran más en la funcionalidad que en la durabilidad y la longevidad. Akinwande espera una ola de innovación destinada a hacer que los tatuajes electrónicos duren más una vez que estos dispositivos alcancen una adopción más amplia.

"Eso solo requiere muchas asociaciones entre académicos y entidades de uso final como hospitales y empresas", dijo.

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Los tatuajes electrónicos tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluida la investigación del comportamiento y los controles de entrada para robots y videojuegos. Pero al igual que con otras tecnologías portátiles, la innovación del tatuaje electrónico actual se centra principalmente en la salud y el bienestar.

Los tatuajes electrónicos se pueden usar para controlar los signos vitales de los bebés que nacen prematuramente. Debido a su mayor riesgo de enfermedad, discapacidad y muerte, los signos vitales de los bebés nacidos antes de las 37 semanas de embarazo generalmente se controlan continuamente en una unidad de cuidados intensivos neonatales o UCIN. Este control generalmente implica pegar sensores cableados en la piel del paciente, lo que puede provocar dolor y lesiones porque la piel está subdesarrollada y es frágil.

Para abordar este problema, Rogers y un equipo de investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado tatuajes electrónicos que monitorean todas las señales capturadas por los sensores tradicionales de la UCIN (frecuencia cardíaca, frecuencia respiratoria, temperatura corporal y oxígeno en la sangre), además de puntos de datos adicionales como el flujo sanguíneo, la sangre. presión y medidas separadas para la temperatura corporal central y la temperatura superficial. Y debido a que son livianos e inalámbricos, estos tatuajes pueden usar adhesivos solo una décima parte de los que se usan para los sensores tradicionales, lo que los hace más suaves para la piel del paciente. Además, los dispositivos de monitoreo inalámbrico pueden reducir el estrés de los padres porque pueden permitir un monitoreo continuo después de salir del hospital.

Una vez que tales dispositivos alcancen una adopción más amplia, agregar nuevos sensores y analizar los resultados con el aprendizaje automático también podría permitir a los médicos detectar señales de problemas antes, según Rogers.

"Tenemos un acelerómetro de gran ancho de banda que capta las vibraciones en la piel asociadas con los sonidos gastrointestinales, respiratorios y el llanto", dijo. "Creo que es una trayectoria realmente poderosa en la que pensar: no detenerse solo con los signos vitales tradicionales, sino capturar toda una serie de características que se pueden batir a través de redes neuronales".

En este momento, no sabemos exactamente cómo los patrones de llanto, la actividad gastrointestinal y los espasmos musculares se correlacionan con problemas de salud que requieren intervención. Pero con el tiempo, los algoritmos se pueden entrenar para detectar patrones que serían demasiado sutiles para que los notara un observador humano, lo que a su vez podría conducir a intervenciones más tempranas y mejores resultados de salud.

Los tatuajes electrónicos se pueden utilizar para mejorar la atención médica de los pacientes afectados por trastornos neurológicos como la enfermedad de Parkinson, la parálisis cerebral y el Alzheimer. Al medir los impulsos eléctricos o el movimiento físico a través de acelerómetros, estos dispositivos pueden ayudar a los proveedores de atención a comprender la frecuencia y la gravedad de los movimientos involuntarios, datos que se pueden usar para ajustar los medicamentos o cambiar el horario de un paciente para que las tareas diarias sean más manejables. Los dispositivos futuros también podrían usarse para medir la medicación para el Parkinson en el sudor del paciente, lo que podría agregar otro punto de datos que puede ayudar a calibrar la atención del paciente, dijo Rogers.

"Esto está realmente habilitado de manera única por la capacidad de colocar estos dispositivos en cualquier lugar de la anatomía del paciente... Es difícil imaginar atarse un Apple Watch al cuello".

El equipo de Rogers también ha trabajado en dispositivos que se montan en la base del cuello del usuario para identificar problemas con la deglución, una complicación común en pacientes con una variedad de trastornos neurológicos, incluido el Alzheimer, y brinda retroalimentación háptica o visual que recuerda a los pacientes que deben tragar con más frecuencia. y les ayuda a tragar en el momento adecuado del ciclo respiratorio.

"Esto es realmente único gracias a la capacidad de colocar estos dispositivos en cualquier lugar de la anatomía del paciente", dijo Rogers. "Es difícil imaginar atarse un Apple Watch al cuello".

A principios de este año, Akinwande y un equipo de investigadores de UT Austin y Texas A&M University desarrollaron un tatuaje electrónico que puede medir continuamente la presión arterial del usuario con un alto grado de precisión. Akinwande dijo que su equipo decidió centrarse en la presión arterial porque es el único de los cuatro signos vitales comúnmente reconocidos (temperatura corporal, frecuencia del pulso, frecuencia respiratoria y presión arterial) que no se puede controlar fácilmente a lo largo del día en un entorno de la vida real. .

El tatuaje electrónico diseñado por el equipo de Akinwande estimula la piel con una corriente eléctrica suave y mide la impedancia eléctrica, o resistencia, a medida que la corriente viaja por el cuerpo. Estas medidas se introducen en un algoritmo de aprendizaje automático que utiliza estos datos para inferir la presión arterial del usuario.

La presión arterial se mide tradicionalmente con un manguito inflable, que requiere que el paciente se siente quieto y es demasiado voluminoso para llevarlo consigo para repetir las mediciones a lo largo del día. Un dispositivo diseñado para la medición continua, por el contrario, permitiría cotejar las mediciones de la presión arterial con otros datos para proporcionar información sobre el impacto de la dieta, el ejercicio, el sueño y los niveles de estrés en la presión arterial en un entorno de la vida real. Esto podría ayudar a los médicos a recomendar cambios específicos en el estilo de vida y realizar un seguimiento de su impacto, o incluso medir la eficacia de los medicamentos que el paciente está usando para tratar la presión arterial alta.

Las señales recopiladas de los músculos del usuario mediante tatuajes electrónicos se pueden usar para controlar robots con gestos. Eso podría verse como un brazo robótico que refleja los movimientos del brazo real del usuario, o un dron que puede controlarse con sutiles movimientos de la mano. La tecnología también podría usarse para controlar prótesis.

Aunque la tecnología de tatuajes electrónicos teóricamente podría reemplazar a los relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles, no es probable que lo hagan en el corto plazo. La frecuencia cardíaca y la respiración, los signos vitales más relevantes para el seguimiento del estado físico, son lo suficientemente fuertes como para detectarlos con un reloj de pulsera o una correa para el pecho, y un factor de forma más grande facilita agregar funciones como acelerómetros y seguimiento de ubicación, sin mencionar las baterías. necesarios para alimentarlos a todos.

Pero los tatuajes electrónicos se pueden usar para medir cosas que los dispositivos portátiles tradicionales no pueden, como la actividad cerebral durante la meditación, por ejemplo. Y Epicore Biosystems, una startup tecnológica de la cual Rogers es cofundador, se asoció con la marca de nutrición deportiva Gatorade para hacer una botella inteligente y un parche para la piel que miden la ingesta de agua y la pérdida de electrolitos a través de la piel del usuario.

Debido a que permiten mediciones continuas a medida que el usuario se mueve, los tatuajes electrónicos se pueden usar para investigar el comportamiento y la atención humana de formas que antes no eran posibles. Los tatuajes electrónicos podrían usarse para medir la actividad cerebral y el movimiento de los ojos de los conductores de camiones, pilotos de líneas aéreas u operadores de maquinaria pesada para determinar cuánto tiempo pueden pasar con seguridad entre descansos antes de que su atención comience a desviarse.

Al aplicar una variedad de tatuajes electrónicos y otros sensores al cuerpo de una persona, Akinwande dijo que los investigadores también pueden acercarse a la visión de un gemelo digital: una representación virtual de una persona que puede usarse para identificar cambios en el estilo de vida personal que pueden mejorar la longevidad. , o incluso elegir entre opciones de tratamiento para una enfermedad en función de los resultados de pacientes con características similares.

Lu, por su parte, dijo que la tecnología podría usarse para desarrollar mejores interfaces entre humanos y asistentes robóticos. Al monitorear a los humanos mientras interactúan con los robots en el hogar y en los lugares de trabajo, los ingenieros pueden identificar más fácilmente los momentos de estrés y las fallas en la comunicación y adaptar el comportamiento y el diseño del robot para evitarlos.

Los tatuajes electrónicos podrían usarse para dirigir un avatar en una realidad virtual o en un escenario de metaverso con gestos físicos, o incluso brindar retroalimentación háptica específica, lo que permite experiencias de realidad virtual más inmersivas. Pero la tecnología también podría usarse para mejorar la telemedicina al proporcionar a los médicos datos de signos vitales en tiempo real durante un examen virtual.

"Podrías llevar la telemedicina al siguiente nivel", dijo Akinwande. "Casi se podría replicar una visita en persona. Esta es la idea detrás de la meta-salud".

Debido a que los tatuajes electrónicos son tan versátiles, es probable que su uso se generalice en los próximos años, especialmente en entornos de atención médica donde el control efectivo del paciente puede ser una cuestión de vida o muerte. Sin embargo, la adopción a gran escala de los tatuajes electrónicos a nivel del consumidor probablemente requerirá que los dispositivos sean más duraderos o tan baratos y fáciles de reciclar que los consumidores no lo piensen dos veces antes de usarlos y desecharlos. (Según un comunicado de prensa de la Universidad de Northwestern, el sensor de la UCIN de Rogers cuesta alrededor de $ 10, es barato para un dispositivo médico pero costoso para un rastreador de ejercicios de un solo uso o un accesorio de realidad virtual).

Más allá del monitoreo, los tatuajes electrónicos podrían usarse para administrar productos farmacéuticos a través de la piel o estimular partes del cuerpo para apoyar la rehabilitación. A medida que avanza la tecnología de tatuajes electrónicos, uno podría imaginar un dispositivo autónomo que mide los signos vitales relacionados con una condición de salud crónica y libera automáticamente la medicación según sea necesario.

"Usted está montando la ola de la actividad de desarrollo en la industria de dispositivos y electrónica de consumo. Todas las líneas de tendencia van en la dirección correcta: baterías más pequeñas, electrónica con mayor eficiencia energética, huellas más pequeñas. Eso funcionará de forma bastante natural".

Según lo ve Rogers, el desafío de generalizar los tatuajes electrónicos se reduce en gran medida a la logística y las operaciones, ya que muchos hospitales carecen del equipo inalámbrico y las capacidades de almacenamiento de datos necesarios para hacer un uso efectivo de dichos dispositivos. Para superar este obstáculo, su equipo se ha centrado en establecer relaciones con los proveedores de equipos de monitorización hospitalaria existentes que pueden asociarse con ellos para crear la infraestructura necesaria.

Y en el lado de la ingeniería, los tatuajes electrónicos solo serán más fáciles de hacer con el tiempo.

"No tenemos que romper ninguna ley de la física", dijo Rogers. "Usted está montando la ola de la actividad de desarrollo en la industria de dispositivos y electrónica de consumo. Todas las líneas de tendencia van en la dirección correcta: baterías más pequeñas, electrónica con mayor eficiencia energética, huellas más pequeñas. Eso funcionará de forma bastante natural".