O advento de dispositivos eletrônicos portáteis e vestíveis revolucionou completamente a sociedade. Dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares, laptops e smartwatches, tornaram a vida das pessoas mais fácil. Pode-se conectar-se imediatamente e ver seus entes próximos ou amigos que residem no outro canto do globo por meio de videochamadas pela Internet. Anteriormente, a indústria de semicondutores à base de silício desempenhou um grande papel no desenvolvimento da indústria eletrônica e da informação.
No entanto, com a chegada de novas tecnologias, como a Internet das coisas (IoT), a inteligência artificial, a monitorização remota da saúde, as casas inteligentes, a interação homem-máquina, etc., a indústria convencional baseada no silício enfrenta novos desafios.
Hoje em dia, a eletrônica vestível, com flexibilidade mecânica integrada e funcionalidade eletrônica, tem mostrado notável desenvolvimento e avanço em comparação com a eletrônica rígida convencional baseada em silício.
Com as mais recentes pesquisas em ciência dos materiais, é ainda possível fabricar circuitos eletrônicos que não são apenas flexíveis, mas também extensíveis, permitindo que sejam utilizados em uma ampla gama de aplicações.
A eletrônica flexível e vestível tem aplicações generalizadas na indústria médica e de saúde. Devido à fusão tecnológica da inteligência artificial e da internet das coisas (IoT) com dispositivos médicos eletrônicos, como sensores, atuadores, etc., tornou-se possível medir e analisar os pacientes remotamente e fornecer-lhes os cuidados e tratamentos desejados.
Como os dispositivos médicos e sensores flexíveis e extensíveis podem envolver o corpo ou o órgão alvo e adquirir a forma desejada, as medições feitas por eles são bastante precisas.
Esses sensores flexíveis podem ser usados para medir vários dados do paciente, como frequência cardíaca, pressão arterial, frequência respiratória, pH, nível de glicose, temperatura, suor, saliva, etc., e podem ajudar os profissionais médicos no diagnóstico precoce.
Os sensores não flexíveis também foram desenvolvidos anteriormente e utilizam silício como substrato, mas não conseguem medir com precisão os parâmetros fisiológicos devido à sua rigidez.
Um sensor flexível possui uma estrutura em camadas em que a camada inferior é o substrato feito de material polimérico flexível. O substrato comumente usado para a fabricação de sensores inclui tereftalato de polietileno (PET), poliimida (PI), polidimetilsiloxano (PDMS), polipirrol, filme de óxido de índio e estanho (ITO), etc.
Além da camada de substrato, o sensor possui duas camadas de eletrodos, uma camada de eletrodo superior e uma camada de eletrodo inferior, para conduzir o sinal elétrico para dentro ou para fora do sensor.
As camadas de eletrodo também são escolhidas de forma que proporcionem flexibilidade total semelhante à camada de substrato. Os materiais comumente usados para fazer eletrodos do sensor flexível são polímeros condutores, nanofios de prata (Ag) e malha metálica de ouro, cobre ou prata.
A camada mais importante de um sensor é a camada ativa, que é colocada no meio do sensor. O material da camada ativa depende do tipo de sensor, ou seja, se é sensor de pressão, sensor bioquímico, sensor de temperatura, sensor de força, etc.
Se o sensor for um sensor de pressão, então o material utilizado para a camada ativa pode ser um material piezoelétrico que pode converter a energia mecânica na forma de vibrações humanas, pulso, batimento cardíaco, etc., em um sinal elétrico.
Da mesma forma, se o sensor for o sensor de temperatura, então o material da camada ativa é um material termoelétrico. Em um sensor flexível, o material da camada ativa também é escolhido de forma que apresente flexibilidade suficiente e suporte flexão mecânica sem ser danificado.
Os sensores de pressão flexíveis geralmente empregam fluoreto de polivinilideno (PVDF), ZnO, P(VDF-TrFR), etc., como camadas ativas piezoelétricas que possuem a flexibilidade desejada.
Diferentes técnicas foram desenvolvidas para a fabricação de sensores vestíveis e flexíveis. Algumas das técnicas utilizadas para fabricar esses sensores são impressão, eletrofiação, transferência de padrões e fabricação aditiva.
A técnica de impressão é a técnica mais popular para a fabricação desses sensores. A impressão pode ser serigráfica, também conhecida como impressão analógica, ou talvez impressão digital, também conhecida como impressão a jato de tinta.
Na serigrafia, uma máscara é feita e alimentada na impressora e usada para imprimir o padrão necessário. Quase todos os sensores e circuitos eletrônicos anteriores foram feitos por essa técnica de serigrafia.
Hoje em dia chegou a impressão digital, na qual não é necessária a confecção de máscaras. Na impressão digital, o padrão a ser impresso é alimentado digitalmente no computador e impresso automaticamente por um comando do computador.
Embora a impressão digital seja simples, fácil de usar e exija menos esforços manuais, a tinta utilizada para esta técnica deve atender a alguns requisitos específicos em termos de viscosidade e tensão superficial.
Por outro lado, na técnica de eletrofiação, uma solução polimérica é preparada e alimentada na seringa que é conduzida até a agulha metálica por meio de uma bomba de seringa.
Uma alta voltagem elétrica é aplicada ao longo da agulha e é usada para ejetar a solução polimérica, quebrando a tensão superficial do fluido. Durante o processo de ejeção, o polímero-solvente volatiza e o material polimérico estável é depositado em espiral e o produto de fibra desejado é obtido.
Da mesma forma, na técnica de transferência de padrão, um padrão é impresso na superfície rígida usando uma máscara através da técnica de impressão comum e posteriormente transferido para o substrato flexível.
É necessário um cuidado especial durante o processo de transferência do molde, pois os moldes confeccionados são delicados e podem quebrar se não forem manuseados corretamente. A manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D, é a mais recente técnica de impressão usada para fabricar dispositivos eletrônicos complicados ou projetos de circuitos elétricos.
Nesta técnica, a impressão é realizada camada por camada e os padrões são impressos uns sobre os outros no substrato flexível. Usando esta técnica, dispositivos eletrônicos com nanoarquitetura ou design complexo podem ser fabricados de forma eficaz.
Sensores flexíveis e vestíveis têm muitas aplicações gerais e de saúde. A implantação de um sensor específico em uma concessionária específica depende do tipo de medição ou rastreamento a ser realizado.
Os sensores normalmente aplicados são sensores eletroquímicos, sensores de pressão ou deformação, sensores de temperatura e assim por diante. Alguns exemplos de sensores usados no corpo são mostrados na figura 1.
Todos esses sensores possuem uma camada ativa que mede a quantidade alvo específica e converte essa quantidade no sinal elétrico correspondente. Existem muitos tipos de sensores eletroquímicos disponíveis no rastreamento de saúde, que incluem glicose, suor, saliva, pH, medição de colesterol no transporte de medicamentos, etc.
O princípio subjacente dos sensores eletroquímicos é que a resposta química entre o material de detecção e a substância alvo altera as residências elétricas do sensor, e o rastreamento da saúde é realizado desta forma.
O sensor de pressão ou sensor de força é uma categoria importante de sensores usados para medir muitos parâmetros cruciais de saúde, como pulsação, pressão arterial, batimentos cardíacos, etc.
Esses sensores detectam força mecânica na forma de tensão, tensão, deformação e torque e os convertem em um sinal elétrico. Existem muitos tipos de sensores de tensão disponíveis na área da saúde, como sensores resistivos, sensores capacitivos e sensores piezoelétricos.
Em um sensor resistivo, a resistência do tecido sensor muda na detecção de um sinal mecânico, e a extrusão na resistência é ponderada no formato de um extra no sinal elétrico.
Da mesma forma, num sensor capacitivo, a capacitância do sensor muda com a mudança na força mecânica ou pressão e é refletida na forma de um sinal elétrico.
Um sensor piezoelétrico é um sensor que desenvolve uma tensão elétrica em seus terminais na detecção da força mecânica ou pressão. Muitos materiais cerâmicos e polímeros à base de chumbo exibem propriedades piezoelétricas e são empregados diretamente em tais sensores.
De acordo com as pesquisas mais recentes sobre sensores de pressão, estruturas porosas ou designs de nanoarquitetura fabricados por meio de fabricação aditiva podem ser usados para melhorar o resultado ou a sensibilidade desses sensores.
Outra categoria de sensores vestíveis são os sensores de temperatura. Esses sensores detectam a mudança na temperatura corporal e refletem a saída na forma de um sinal elétrico.
Existem principalmente dois tipos de sensores de temperatura, nomeadamente sensores resistivos e sensores piroelétricos. No sensor de temperatura resistivo, a resistência do material implantado muda com a mudança na temperatura.
Conseqüentemente, o sinal elétrico de saída varia de acordo. Óxidos metálicos, CNTs, grafeno e compósitos poliméricos são materiais comumente usados para fazer sensores de temperatura resistivos.
No caso de sensores piroelétricos, a polarização do material muda com a mudança da temperatura. A mudança na polarização é ainda utilizada para a geração do sinal elétrico que é calibrado em termos de temperatura
Além destes, sensores multifuncionais também estão disponíveis hoje em dia. Em um sensor multifuncional, várias camadas com funções diferentes são empilhadas umas sobre as outras e são usadas para detectar múltiplas quantidades, como temperatura, pressão, etc., simultaneamente.
Essas múltiplas camadas são imprensadas entre os eletrodos e toda a estrutura é depositada sobre um substrato constituído por uma base polimérica. O sensor multifuncional com capacidade de medir tensão e temperatura simultaneamente na área da saúde foi fabricado com sucesso.
Fica claro pela discussão acima que os sensores flexíveis e vestíveis fizeram grandes avanços nos últimos anos. Esses sensores aliados à inteligência artificial e à internet das coisas encontram um grande número de aplicações na sociedade. A contribuição dos sensores vestíveis na área médica e de saúde é notável, e espera-se que sua contribuição cresça ainda mais no futuro próximo.
Sensores multifuncionais com capacidade de medir múltiplas quantidades ao mesmo tempo parecem bastante promissores. Além disso, a técnica de fabricação aditiva está provando ser bastante frutífera para a fabricação de projetos 3D complexos de sensores vestíveis.
O conceito de fazer porosidade controlada nos sensores vestíveis para melhorar a sua capacidade de detecção também é novo e espera-se que forneça bons resultados se implementado de forma inteligente.
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