Nosso Futuro Vestível, Parte 2: Como Funcionará a Nova Tecnologia?

Por Jerilyn Covert

Este é o segundo de uma série em duas partes sobre o futuro da tecnologia wearable. A primeira parte (leia aqui) explora como serão as futuras vestimentas e o que elas irão realizar.

23 de agosto de 2022 - Pegue seu smartphone. Sim, você já o segurou mil vezes, é como uma extensão de suas mãos. Mas vamos fazer uma experiência: Agarre-o pelas duas pontas e estique-o até onde ele for. Agora, torça-o. Envolva-o ao redor do seu antebraço. Legal, certo? Agora, deixe-o voltar.

Espere, o que você quer dizer com seu telefone não dobra e estica?

Esse pequeno exercício de imaginação ilustra o que é possível no reino dos usáveis - aparelhos eletrônicos que usamos perto ou sobre nossa pele. Hoje, os smartwatches e telefones ainda são blocos rígidos e inflexíveis de plástico e metal. Amanhã, tudo isso vai mudar.

"Em artigos usáveis, flexibilidade, elasticidade e lavabilidade são requisitos chave", diz Veena Misra, PhD, professora de engenharia elétrica da Universidade Estadual da Carolina do Norte e diretora do ASSIST Center, um instituto de pesquisa financiado pelo governo federal que desenvolve artigos usáveis para ajudar a saúde.

"Estamos vendo este tipo de desenvolvimento em toda a linha", diz Misra, "e você pode acompanhar isso no número de artigos [de pesquisa] que saem em artigos para uso". Esse número está apenas crescendo exponencialmente".

Temos a tendência de pensar em artigos de consumo divertidos, mas uma escola de pensamento crescente diz que eles melhorarão drasticamente os cuidados com a saúde - fornecendo um veículo de monitoramento contínuo e de longo prazo para prever eventos adversos e acompanhar de perto as doenças, melhorando os tratamentos e os resultados de saúde em todo o mundo.

Para que isso aconteça, os artigos de uso devem funcionar perfeitamente com nosso corpo. Isso significa tornar os dispositivos e sistemas convencionais mais duros e rígidos como a pele humana - macios, dobráveis e extensíveis.

Como se consegue isso? Redesenhando a eletrônica a nível molecular, miniaturizando sensores e criando fontes de energia inéditas para suportar o que os engenheiros chamam de "fator de forma" semelhante a uma pele.

Para cunhar uma frase, não é ficção científica. Está acontecendo enquanto falamos, e os novos produtos que estes avanços criarão - potencialmente começando nos cuidados com a saúde e passando para o mercado do bem-estar do consumidor - podem se tornar tão normais quanto aquele telefone desajeitado e inflexível que você não pode colocar para baixo. Veja como.

Por que o fator forma é importante?

Um telefone que se adapte ao seu corpo é melhor de duas maneiras cruciais: É menos intrusivo para o usuário, e permite uma medição mais confiável.

"Os sensores e sistemas de sensores muitas vezes sofrem de desajuste mecânico", diz Alper Bozkurt, PhD, engenheiro elétrico, e colega de Misra, da NC State e ASSIST. "Se você tem tecido macio que está se movendo, mas um dispositivo rígido de sensoriamento que não está se movendo, sua medição pode não ser confiável".

Isso porque toda aquela pancada extra entre o dispositivo e seu corpo aparece como "ruído" - informação sem sentido que pode distorcer a medida e pode levar a conclusões falsas.

Depois há o "fator humano", observa Bozkurt - a questão da conformidade.

"Um dos desafios é que projetamos as coisas no laboratório, testamos tudo e levamos isso aos nossos operadores médicos, e eles levantam as sobrancelhas e dizem: 'Não, meus pacientes não vão usar isto'", diz Bozkurt. "Você não pode imaginar um futuro para os artigos de uso sem resolver a questão da conformidade".

As pessoas querem um dispositivo que seja confortável, que não se destaque e que exija pouca interação, diz Bozkurt. "Nós o chamamos de usar e esquecer". Você pode comparar isso ao uso de um penso-rápido - claro, você nota ocasionalmente, mas na maioria das vezes ele se desvanece em segundo plano, sem interferir em suas tarefas diárias e sem que outros sequer percebam que ele está lá.

Um relógio de pulso pode parecer confortável o suficiente, mas as aplicações vão além do que um relógio de pulso pode permitir, observa Michael Daniele, PhD, um colega da equipe do Estado NC / ASSIST, que estuda nanomateriais macios para projetar dispositivos que monitoram, imitam ou complementam as funções corporais.

Dispositivos que podem ser usados estão sendo desenvolvidos para ajudar os pacientes e até mesmo tratá-los de maneira "em que o conforto do paciente seja uma prioridade", diz ele.

Tomemos como exemplo o uso de eletrodos e componentes eletrônicos em soquetes protéticos de extremidades inferiores, diz ele. "Imagine alguns parafusos de metal pressionando seu membro com o qual você está suportando todo o seu peso, ou imagine encher seu sapato com um conjunto de rochas. Esse é o estado de desgaste para um usuário assim".

OK, Então, como você faz a eletrônica macia e alongada?

Uma maneira é pegar coisas duras usadas para monitorar a saúde - como chips de silício - e torná-las tão finas que se tornam flexíveis. Entre os primeiros a demonstrar este tipo de tecnologia de material em dispositivos semelhantes aos da pele foi John Rogers, PhD, em 2011, em um papel de referência da ciência intitulado Epidermal Electronics.

"Tínhamos sido bastante ativos nesse campo por vários anos", diz Rogers, que na época estava na Universidade de Illinois e desde então se mudou para a Northwestern University. "Mas então percebemos que mesmo o silício - que a maioria das pessoas pensa como um material muito rígido e quebradiço - pode ser transformado em formas e formas, e em espessuras que permitem que ele seja dobrado e ... até esticado".

Rogers, cuja equipe tem várias aplicações em desenvolvimento, usa uma técnica de gravura para raspar a superfície de uma pastilha semicondutora.

"Acontece que toda a ação nesses circuitos integrados está acontecendo naquela camada muito próxima da superfície", diz ele. "Todo o silício por baixo está servindo apenas como suporte mecânico".

Essa camada crítica é então embutida em uma matriz de polímero elástico, explica Rogers, permitindo-lhes projetar sistemas totalmente funcionais que podem dobrar, torcer e esticar.

Outros ainda utilizam uma abordagem diferente, construindo peças eletrônicas do zero a partir de materiais que são inerentemente macios e elásticos - polímeros. Este é o tipo de trabalho que o engenheiro químico de Stanford Zhenan Bao, PhD, faz, utilizando uma gama de polímeros com propriedades condutoras.

"Em nosso trabalho, ganhamos um entendimento fundamental sobre como projetar moléculas plásticas para que elas tenham as funções e propriedades que desejamos", diz Bao. Para a eletrônica semelhante à pele, os plásticos são projetados - em um nível molecular - para serem condutores, elásticos e macios.

Uma das mais novas criações do laboratório da Bao é um polímero que se ilumina, permitindo exposições visuais parecidas com a pele. Ela imagina um adesivo de pele com o display bem sobre ele, ou indo mais longe, uma consulta de telesaúde onde o médico poderia ver e sentir a textura da pele do paciente através de um display tridimensional, realista. Exemplo: Um exame para verificar a retenção severa de água em pacientes com insuficiência cardíaca é pressionar a pele para ver se ela salta de volta, diz Bao. O paciente embrulharia um adesivo eletrônico em volta da perna e o pressionaria para gerar um display para o médico de fora. "O médico seria capaz de sentir no visor a textura da pele que o paciente sentiria", diz ela - a partir de um local remoto.

"Claro, isto ainda está longe", observa Bao. "Mas isso é o que eu acho que seria possível, que pode ser ativado por visores e sensores semelhantes aos da pele".

Mais Wild Advances": Metais Líquidos, Ligas de Plasma, Sensores Químicos

Outros desenvolvimentos ainda estão em andamento. Os avanços nos metais líquidos permitem fios condutores extensíveis. Antenas de base têxtil e resistentes à umidade podem transmitir dados enquanto são usadas perto da pele. Métodos como a ligação de plasma a vapor de água ligam metais finos a polímeros macios sem perder flexibilidade ou usando alta temperatura e pressão que podem danificar a eletrônica superfina.

Os sensores também estão melhorando - essa é a parte que interage com o que quer que você esteja tentando medir. A maioria dos sensores comerciais desgastáveis são mecânicos (usados para rastrear atividade física) ou ópticos (batimento cardíaco, oximetria de pulso). Mas os sensores químicos estão em desenvolvimento para medir marcadores internos também no corpo. Estes são fundamentais para revelar o quadro completo de sua saúde, diz Joseph Wang, doutor em ciências e professor de nanoengenharia da Universidade da Califórnia, San Diego, que publicou pesquisas sobre biosensores e dispositivos de desgaste.

Por exemplo, um aumento do lactato e uma queda na pressão arterial podem significar um choque séptico. A medição dos níveis de potássio pode dar informações sobre mudanças no ritmo cardíaco. E combinar as medições de pressão arterial e glicose pode revelar mais sobre a saúde metabólica do que qualquer uma delas sozinha. "Se você as combinar, você obtém melhores evidências", diz Wang.

É aqui que a nova tecnologia pode ficar realmente totó. Os sensores químicos são feitos de alguns dos mais exóticos nano materiais, incluindo grafeno, nanotubos de carbono e nanopartículas de ouro, diz Daniele. Alguns (sensores de glicose em particular) usam enzimas que se ligam às moléculas alvo. Outros usam aptamers, pequenos fios individuais de DNA ou RNA.

Os sensores químicos normalmente funcionam com fluido corporal, como suor, saliva, lágrimas ou - como é o caso dos monitores contínuos de glicose - fluido intersticial (o líquido entre as células do seu corpo).

"A maioria das coisas que você quer medir em sangue você será capaz de fazer em fluido intersticial se você tiver a tecnologia de sensores", diz Jason Heikenfeld, PhD, professor de engenharia elétrica da Universidade de Cincinnati. Imagine ter um exame completo de sangue feito simplesmente colocando um adesivo de pele, sem necessidade de amostra de sangue".

Heikenfeld também investigou o suor, que parece útil para medir os níveis hormonais (como os que regulam o estresse, sexo e sono) e o monitoramento de drogas prescritas - ou seja, monitorar os níveis de uma droga no corpo e rastrear a rapidez com que ela é metabolizada, diz ele.

Os sensores de suor também podem encontrar um lugar nos testes em casa, diz Heikenfeld. "Se houvesse um prêmio de escolha do povo para fluidos biológicos, o suor ganharia", diz ele. "Não queremos fazer sangue, não queremos babar em um copo, não queremos mexer com um bastão de urina". Lágrimas, esqueça. O teste seria um simples remendo que você colocaria em seu braço; recolher um pouco de líquido, colocá-lo em um envelope e enviá-lo para um laboratório".

Fontes de energia viáveis: Além das pilhas AA

Se você quiser criar um dispositivo eletrônico extensível e flexível, você precisará de uma forma extensível, flexível e até mesmo lavável para alimentá-lo. Muitos dos artigos de uso atuais, como os relógios inteligentes, são alimentados por baterias muito pequenas, mas ainda assim rígidas, diz Bao. Daí a forma volumosa.

"Há certamente uma grande demanda por baterias de alta densidade energética, verdadeiramente flexíveis", diz ela.

Esta demanda levou os pesquisadores de todo o mundo a desenvolver baterias que podem esticar e flexionar. Para citar apenas alguns exemplos recentes, pesquisadores canadenses desenvolveram uma bateria flexível, lavável, que pode esticar até dobrar seu comprimento original e ainda funcionar. Em Cingapura, os cientistas criaram uma bateria de zinco fino e biodegradável que pode dobrar, torcer e até cortar com uma tesoura - como qualquer pedaço de papel - e que ainda funcionará. Ainda outras são baterias de engenharia em tiras longas que podem ser usadas em roupas inteligentes.

Outra opção é a energia sem fio, diz Bao. A bateria não precisa estar no dispositivo - ela pode estar em suas roupas ou em seu bolso e ainda alimentar os sensores. O laboratório da Bao em Stanford desenvolveu um adesivo tipo BodyNet que pode ser carregado usando identificação por radiofreqüência, a mesma tecnologia usada para controlar a entrada sem chave em salas trancadas.

Outros ainda - como Misra e seus colegas da ASSIST - estão explorando alternativas de baterias como a coleta de energia, ou a conversão de calor corporal, energia solar ou movimento em energia.

Misra está trabalhando em um gerador de energia que pode converter a diferença de temperatura entre sua pele e a sala em energia para alimentar um dispositivo. "Você tem uma temperatura da pele de, digamos, 98,6 graus", diz ela. "A temperatura em seu quarto é provavelmente de cerca de 70 graus Fahrenheit". E essa diferença de temperatura de 28 graus pode ser reduzida através de um dispositivo chamado gerador termelétrico, que pode converter essa diferença de energia em energia".

Imaginem só": Não se preocupe mais com a bateria morrendo, molhando-se, ou tendo que ser recarregada. "Seu corpo é a bateria", diz Misra.

O que se segue

Para que as peças de desgaste realmente atinjam seu potencial máximo, todas as peças devem se tornar mais eficientes em termos de energia e se reunir em um pacote flexível e extensível, diz Misra. Elas também devem ser projetadas de tal forma que milhões, se não bilhões, de pessoas queiram usá-las.

Tão importante quanto isso: Os dispositivos destinados ao mundo médico devem fornecer dados de alta qualidade. Se os dados coletados não são padrão ouro, de que servem? E todos esses dados precisam ser transformados em informações úteis. É aí que entram a análise de dados, a aprendizagem de máquinas e a inteligência artificial. "Estes não são problemas insolúveis", diz Misra, "mas são problemas empolgantes em que muita da comunidade está trabalhando".

Resumindo: Nosso futuro desgastante está bem encaminhado.