Waaahhh ! Alors que les bébés ont un mécanisme naturel pour alerter leurs parents qu’ils ont besoin d’un changement de couche, un nouveau capteur développé par des chercheurs de Penn State pourrait aider les travailleurs des garderies, des hôpitaux et d’autres établissements à fournir des soins plus immédiats à leurs charges.
Le nouveau capteur – si bon marché et simple à produire qu’il peut être dessiné à la main avec un crayon sur du papier traité avec du chlorure de sodium – pourrait ouvrir la voie à des moniteurs de santé portables et autonomes à utiliser non seulement dans les « couches intelligentes » mais aussi pour prédire les problèmes de santé majeurs comme l’arrêt cardiaque et la pneumonie.
« Notre équipe s’est concentrée sur le développement d’appareils capables de capturer des informations vitales pour la santé humaine », a déclaré Huanyu « Larry » Cheng, professeur associé James L. Henderson, Jr. Memorial de sciences de l’ingénieur et de mécanique à Penn State. « L’objectif est de prédire rapidement les maladies et les situations de santé, afin de détecter les problèmes avant qu’il ne soit trop tard. »
Cheng est l’auteur principal d’une nouvelle étude publiée dans la revue Nano-lettres, qui décrit le processus de conception et de fabrication d’un capteur d’électrode fiable et dessiné à la main. Le capteur est créé à l’aide d’un crayon, dessiné sur du papier traité avec une solution de chlorure de sodium. Le capteur d’hydratation est très sensible aux changements d’humidité et fournit des lectures précises sur une large gamme de niveaux d’humidité relative, de 5,6 % à 90 %.
La recherche sur les capteurs portables a pris de l’ampleur en raison de leurs applications étendues dans les domaines de la santé médicale, de l’alerte aux catastrophes et de la défense militaire, a expliqué Cheng. Les capteurs d’humidité flexibles sont devenus de plus en plus nécessaires dans les soins de santé, pour des utilisations telles que la surveillance respiratoire et la détection de l’humidité de la peau, mais il est toujours difficile d’obtenir une sensibilité élevée et une élimination facile avec des processus de fabrication simples et peu coûteux, a-t-il ajouté.
« Nous voulions développer quelque chose à faible coût que les gens comprendraient comment fabriquer et utiliser – et vous ne pouvez pas être plus accessible qu’un crayon et du papier », a déclaré Li Yang, professeur à l’École d’intelligence artificielle de l’Université de technologie du Hebei en Chine. . « Vous n’avez pas besoin d’avoir un équipement de plusieurs millions de dollars pour la fabrication. Vous avez juste besoin de pouvoir dessiner dans les lignes d’une électrode pré-dessinée sur un morceau de papier traité. Cela peut être fait simplement et rapidement. »
L’appareil tire parti de la façon dont le papier réagit naturellement aux changements d’humidité et utilise le graphite du crayon pour interagir avec les molécules d’eau et la solution de chlorure de sodium. Au fur et à mesure que les molécules d’eau sont absorbées par le papier, la solution devient ionisée et les électrons commencent à circuler vers le graphite dans le crayon, déclenchant le capteur, qui détecte ces changements d’humidité dans l’environnement et envoie un signal à un smartphone, qui affiche et enregistre les données.
Essentiellement, dessiner sur le papier prétraité dans les lignes prétraitées crée une carte de circuit imprimé en papier miniaturisée. Le papier peut être connecté à un ordinateur avec des fils de cuivre et une pâte d’argent conductrice pour agir comme un détecteur d’humidité environnementale. Pour les applications sans fil, telles que les « couches intelligentes » et la surveillance de la respiration basée sur un masque, le dessin est connecté à une minuscule batterie au lithium qui alimente la transmission de données vers un smartphone via Bluetooth.
Pour le moniteur de respiration, l’équipe a dessiné l’électrode directement sur un masque facial traité avec une solution. Le capteur a facilement différencié la respiration par la bouche de la respiration par le nez et a pu classer trois états respiratoires : profond, régulier et rapide. Cheng a expliqué que les données collectées pourraient être utilisées pour détecter l’apparition de diverses maladies, telles que l’arrêt respiratoire et l’essoufflement, et offrir des opportunités dans l’internet intelligent des objets et la télémédecine.
Il a ajouté que la fréquence respiratoire est un signe vital fondamental et des études ont montré il s’agit d’un indicateur précoce d’une variété de conditions pathologiques telles que les événements cardiaques, la pneumonie et la détérioration clinique. Il peut également indiquer des facteurs de stress émotionnels comme la charge cognitive, la chaleur, le froid, l’effort physique et la fatigue induite par l’exercice.
Par rapport à la respiration, la peau humaine présente un changement d’humidité plus faible, mais les chercheurs ont quand même pu détecter des changements à l’aide de leur capteur d’humidité crayon sur papier, même après que les sujets testés aient appliqué une lotion ou fait de l’exercice. La peau est le plus grand organe du corps, a expliqué Cheng, donc si elle ne traite pas correctement l’humidité, cela pourrait indiquer qu’un autre problème de santé est en cours.
« Différents types de maladies entraînent différents taux de perte d’eau sur notre peau », a-t-il déclaré. « La peau fonctionnera différemment en fonction de ces conditions sous-jacentes, que nous pourrons signaler et éventuellement caractériser à l’aide du capteur. »
L’équipe a également intégré quatre capteurs d’humidité entre les couches absorbantes d’une couche pour créer une « couche intelligente », capable de détecter l’humidité et d’alerter en cas de changement.
« Cette application est en fait née d’une expérience personnelle », a déclaré Cheng, père de deux jeunes enfants. « Il n’y a pas de moyen facile de savoir à quel point le mouillé est mouillé, et cette information pourrait être vraiment précieuse pour les parents. Le capteur peut fournir des données à court terme, pour alerter en cas de changement de couche, mais aussi à long terme, pour montrer des modèles qui peuvent informer les parents sur l’état de santé général de leur enfant. »
Les applications du capteur d’humidité vont au-delà des « couches intelligentes » et de la surveillance de la respiration et de la transpiration, a expliqué Cheng. L’équipe a également déployé le capteur en tant qu’interrupteur sans contact, qui pouvait détecter les changements d’humidité dans l’air à partir de la présence d’un doigt sans que le doigt ne touche le capteur. L’équipe a utilisé l’interrupteur sans contact pour faire fonctionner un ascenseur à petite échelle, jouer sur un clavier et allumer une matrice de LED.
« Les atomes sur le doigt n’ont pas besoin de toucher le bouton, ils doivent seulement être près de la surface pour diffuser les molécules d’eau et déclencher le signal », a déclaré Cheng. « Quand nous pensons à ce que nous avons appris de la pandémie sur la nécessité de limiter le contact du corps avec les surfaces partagées, un capteur comme celui-ci pourrait être un outil important pour arrêter une contamination potentielle. »
Plus d’information:
Guangyu Niu et al, capteur d’humidité crayon sur papier traité avec une solution de NaCl pour la surveillance de la santé et la caractérisation de la peau, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c04384