Il nostro futuro indossabile, parte 2: come funzionerà la nuova tecnologia?

Di Jerilyn Covert

Questa è la seconda di una serie di due parti sul futuro della tecnologia indossabile. La prima parte (leggi qui) esplora l'aspetto e i risultati dei futuri dispositivi indossabili.

23 agosto 2022 - Prendete il vostro smartphone. Sì, lo avete tenuto in mano migliaia di volte, è come un'estensione delle vostre mani. Ma facciamo un esperimento: Afferratelo per entrambe le estremità e allungatelo fino a dove può arrivare. Ora torcetelo. Avvolgetelo intorno all'avambraccio. Bello, vero? Ora lasciatelo scattare all'indietro.

Aspetta, cosa vuol dire che il telefono non si piega e non si allunga?

Questo piccolo esercizio di immaginazione illustra ciò che è possibile fare nel regno degli indossabili, ovvero i dispositivi elettronici che indossiamo vicino o sulla pelle. Oggi gli smartwatch e i telefoni sono ancora blocchi duri e inflessibili di plastica e metallo. Domani tutto questo cambierà.

"Negli indossabili, la flessibilità, l'estensibilità e la lavabilità sono requisiti fondamentali", spiega Veena Misra, PhD, professore di ingegneria elettrica alla North Carolina State University e direttore dell'ASSIST Center, un istituto di ricerca finanziato a livello federale che sviluppa indossabili per la salute.

"Stiamo assistendo a questo tipo di sviluppi su tutta la linea", afferma Misra, "e lo si può notare dal numero di articoli [di ricerca] che escono sui wearables. Il numero sta crescendo in modo esponenziale".

Tendiamo a pensare ai wearable come a divertenti gadget per i consumatori, ma una crescente scuola di pensiero sostiene che miglioreranno drasticamente l'assistenza sanitaria, fornendo un veicolo per il monitoraggio continuo e a lungo termine per prevedere eventi avversi e seguire da vicino le malattie, migliorando i trattamenti e i risultati sanitari in tutto il mondo.

Affinché ciò avvenga, i dispositivi indossabili devono lavorare in perfetta sintonia con il nostro corpo. Ciò significa rendere i dispositivi e i sistemi convenzionalmente duri e rigidi più simili alla pelle umana: morbidi, pieghevoli ed estensibili.

Come si può fare? Riprogettando l'elettronica a livello molecolare, miniaturizzando i sensori e creando fonti di energia mai viste prima per supportare quello che gli ingegneri chiamano un "fattore di forma" simile alla pelle.

Per usare un'espressione, non è fantascienza. Sta accadendo mentre parliamo, e i nuovi prodotti che questi progressi creeranno - potenzialmente a partire dalla sanità e passando per il mercato del benessere dei consumatori - potrebbero diventare normali come quel telefono goffo e inflessibile che non riuscite a mettere giù. Ecco come.

Perché il fattore di forma è importante?

Un dispositivo indossabile che si adatta al corpo è migliore sotto due aspetti fondamentali: È meno invasivo per l'utente e consente una misurazione più affidabile.

"I sensori e i sistemi di sensori spesso soffrono di disallineamenti meccanici", spiega Alper Bozkurt, PhD, ingegnere elettrico e collega di Misra, presso l'NC State e l'ASSIST. "Se avete un tessuto morbido che si muove, ma un dispositivo di rilevamento rigido che non si muove, la vostra misurazione potrebbe non essere affidabile".

Questo perché tutti gli sbattimenti extra tra il dispositivo e il corpo vengono visualizzati come "rumore", ovvero informazioni prive di significato che possono distorcere la misurazione e portare a conclusioni errate.

C'è poi il "fattore umano", osserva Bozkurt, ovvero la questione della conformità.

Una delle sfide è che progettiamo le cose in laboratorio, le testiamo e le portiamo ai nostri operatori medici, i quali alzano le sopracciglia e dicono: "No, i miei pazienti non le indosseranno"", dice Bozkurt. "Non si può immaginare un futuro per i dispositivi indossabili senza risolvere il problema della conformità".

Le persone vogliono un dispositivo che sia comodo, che non sporga e che richieda poca interazione, dice Bozkurt. "Lo chiamiamo "indossa e dimentica"". Si potrebbe paragonare a un cerotto: certo, ogni tanto lo si nota, ma per lo più passa in secondo piano, senza interferire con le attività quotidiane e senza che gli altri si accorgano della sua presenza.

Un orologio da polso può sembrare abbastanza comodo, ma le applicazioni vanno al di là di ciò che un orologio da polso può consentire, osserva Michael Daniele, PhD, membro del team NC State / ASSIST, che studia i nanomateriali morbidi per progettare dispositivi che monitorano, imitano o integrano le funzioni del corpo.

I dispositivi indossabili vengono sviluppati per aiutare i pazienti e persino per curarli in modi "in cui il comfort del paziente è una priorità", afferma.

Prendiamo ad esempio l'uso di elettrodi ed elettronica nelle protesi degli arti inferiori. "Immaginate alcune viti metalliche che premono nell'arto e con le quali sostenete tutto il vostro peso, oppure immaginate di riempire la vostra scarpa con una serie di sassi. Questo è lo stato degli indossabili per un utente di questo tipo".

Ok, ma come si fa a rendere l'elettronica morbida ed elastica?

Un modo è quello di prendere oggetti duri utilizzati per monitorare la salute, come i chip di silicio, e renderli così sottili da diventare flessibili. Tra i primi a dimostrare questo tipo di tecnologia nei dispositivi indossabili simili alla pelle c'è stato John Rogers, PhD, nel 2011, in uno storico articolo di Science intitolato Epidermal Electronics.

"Siamo stati piuttosto attivi in questo campo per diversi anni", dice Rogers, che all'epoca lavorava all'Università dell'Illinois e da allora si è trasferito alla Northwestern University. "Ma poi ci siamo resi conto che anche il silicio, che la maggior parte delle persone pensa come un materiale molto rigido e fragile simile alla roccia, può essere trasformato in forme e spessori che consentono di piegarlo e... persino di allungarlo".

Rogers, il cui team ha diverse applicazioni in fase di sviluppo, utilizza una tecnica di incisione per rasare la superficie di un wafer di semiconduttore.

"Si scopre che tutta l'azione in questi circuiti integrati avviene su quello strato molto vicino alla superficie", dice. "Tutto il silicio sottostante serve solo come supporto meccanico".

Lo strato critico viene poi inserito in una matrice polimerica elastica, spiega Rogers, che permette di progettare sistemi completamente funzionanti che possono piegarsi, torcersi e allungarsi.

Altri ancora usano un approccio diverso, costruendo parti elettroniche da zero con materiali che sono intrinsecamente morbidi ed elastici - i polimeri. Questo è il tipo di lavoro che svolge l'ingegnere chimico Zhenan Bao, PhD, di Stanford, utilizzando una serie di polimeri con proprietà conduttive.

"Nel nostro lavoro, abbiamo acquisito una comprensione fondamentale su come progettare le molecole di plastica in modo che abbiano le funzioni e le proprietà che desideriamo", spiega Bao. Per l'elettronica simile alla pelle, le plastiche sono progettate - a livello molecolare - per essere conduttive, elastiche e morbide.

Una delle ultime creazioni del laboratorio di Bao è un polimero che si illumina, consentendo display visivi simili alla pelle. Bao immagina un cerotto con il display direttamente sulla pelle o, più in là, un appuntamento di teleassistenza in cui il medico possa vedere e sentire la consistenza della pelle del paziente attraverso un display tridimensionale e realistico. Esempio: Un esame per verificare la presenza di una grave ritenzione idrica nei pazienti affetti da insufficienza cardiaca consiste nel premere sulla pelle per vedere se rimbalza, spiega Bao. Il paziente dovrebbe avvolgere un adesivo elettronico intorno alla gamba e premere su di esso per generare una visualizzazione per il medico esterno. "Il medico sarebbe in grado di percepire sul display la consistenza della pelle che il paziente percepisce", spiega la dottoressa, da una postazione remota.

"Naturalmente questo è ancora lontano", osserva Bao. "Ma questo è ciò che penso sarebbe possibile grazie a display e sensori simili alla pelle".

Altri progressi selvaggi: Metalli liquidi, legame al plasma, sensori chimici

Altri sviluppi sono in corso. I progressi nei metalli liquidi consentono di realizzare fili conduttori estensibili. Le antenne a base tessile, resistenti all'umidità, possono trasmettere dati mentre vengono indossate vicino alla pelle. Metodi come l'incollaggio al plasma con vapore acqueo attaccano metalli sottili a polimeri morbidi senza perdere flessibilità o senza utilizzare temperature e pressioni elevate che possono danneggiare l'elettronica ultrasottile.

Anche i sensori stanno migliorando: si tratta della parte che interagisce con ciò che si sta cercando di misurare. La maggior parte dei sensori indossabili in commercio sono meccanici (usati per tracciare l'attività fisica) o ottici (battito cardiaco, pulsossimetria). Ma sono in fase di sviluppo anche sensori chimici per misurare i marcatori interni del corpo. Questi sono fondamentali per rivelare il quadro completo della salute, afferma Joseph Wang, dottore in scienze e professore di nanoingegneria presso l'Università della California, San Diego, che ha pubblicato ricerche su biosensori e dispositivi indossabili.

Ad esempio, un aumento del lattato e un calo della pressione sanguigna possono indicare uno shock settico. La misurazione dei livelli di potassio può fornire informazioni sulle variazioni della frequenza cardiaca. Inoltre, la combinazione delle misurazioni della pressione arteriosa e del glucosio può rivelare più informazioni sulla salute metabolica rispetto a una sola di esse. "Se li si combina, si ottengono prove migliori", afferma Wang.

È qui che la nuova tecnologia può diventare davvero geniale. I sensori chimici sono realizzati con alcuni dei nano materiali più esotici, tra cui grafene, nanotubi di carbonio e nanoparticelle d'oro, spiega Daniele. Alcuni (in particolare i sensori di glucosio) utilizzano enzimi che si legano alle molecole bersaglio. Altri utilizzano aptameri, brevi filamenti singoli di DNA o RNA.

I sensori chimici funzionano in genere con liquidi corporei come il sudore, la saliva, le lacrime o, come nel caso dei monitor continui del glucosio, con il liquido interstiziale (il liquido tra le cellule del corpo).

"La maggior parte delle cose che si vogliono misurare nel sangue si possono fare nel liquido interstiziale se si dispone della tecnologia dei sensori", afferma Jason Heikenfeld, PhD, professore di ingegneria elettrica all'Università di Cincinnati. Immaginate di poter fare un esame del sangue completo semplicemente indossando un cerotto sulla pelle, senza bisogno di un campione di sangue".

Heikenfeld ha anche studiato il sudore, che sembra utile per misurare i livelli ormonali (come quelli che regolano lo stress, il sesso e il sonno) e per il monitoraggio dei farmaci da prescrizione, cioè per monitorare i livelli di un farmaco nell'organismo e la velocità con cui viene metabolizzato.

Secondo Heikenfeld, i sensori del sudore potrebbero trovare posto anche nei test a domicilio. "Se ci fosse un premio per i fluidi biologici, il sudore vincerebbe", dice. "Non vogliamo fare il sangue, non vogliamo sbavare in una tazza, non vogliamo avere a che fare con uno stick per l'urina. Le lacrime, scordatevelo. Il test sarebbe un semplice cerotto da applicare sul braccio; raccogliere un po' di liquido, metterlo in una busta e spedirlo a un laboratorio".

Fonti di energia indossabili: Oltre le batterie AA

Se si vuole creare un dispositivo elettronico estensibile e flessibile, è necessario un modo estensibile, flessibile e persino lavabile per alimentarlo. Molti dei dispositivi indossabili di oggi, come gli smartwatch, sono alimentati da batterie molto piccole ma comunque rigide, spiega Bao. Da qui la forma ingombrante.

"C'è sicuramente una grande richiesta di batterie ad alta densità energetica e veramente flessibili", afferma Bao.

Questa richiesta ha spinto i ricercatori di tutto il mondo a sviluppare batterie in grado di allungarsi e flettersi. Per citare solo alcuni esempi recenti, i ricercatori canadesi hanno sviluppato una batteria flessibile e lavabile che può allungarsi fino al doppio della sua lunghezza originale e continuare a funzionare. A Singapore, gli scienziati hanno creato una batteria di zinco biodegradabile e sottile come la carta che si può piegare, torcere e persino tagliare con le forbici, come un qualsiasi pezzo di carta, e continua a funzionare. Altri ancora stanno ingegnerizzando le batterie in lunghe strisce che possono essere utilizzate negli indumenti intelligenti.

Un'altra opzione è l'alimentazione wireless, dice Bao. La batteria non deve necessariamente trovarsi nel dispositivo: può essere nei vestiti o in tasca e continuare ad alimentare i sensori. Il laboratorio di Bao a Stanford ha sviluppato un indossabile simile a un adesivo, chiamato BodyNet, che può essere caricato utilizzando l'identificazione a radiofrequenza, la stessa tecnologia utilizzata per controllare l'ingresso senza chiavi nelle stanze chiuse.

Altri ancora, come Misra e i suoi colleghi dell'ASSIST, stanno esplorando alternative alle batterie come l'energy harvesting, ovvero la conversione del calore corporeo, dell'energia solare o del movimento in energia.

Misra sta lavorando a un generatore di energia in grado di convertire la differenza di temperatura tra la pelle e la stanza in energia per alimentare un dispositivo. "La temperatura della pelle è, ad esempio, di 98,6 gradi", spiega Misra. "La temperatura della stanza è probabilmente di circa 70 gradi Fahrenheit. E questa differenza di temperatura di 28 gradi può essere fatta passare attraverso un dispositivo chiamato generatore termoelettrico, che può convertire questa differenza di energia in energia".

Immaginate: Non dovrete più preoccuparvi che la batteria muoia, si bagni o debba essere ricaricata. "Il corpo è la batteria", dice Misra.

Il futuro

Affinché gli indossabili raggiungano davvero il loro pieno potenziale, tutte le parti devono diventare più efficienti dal punto di vista energetico e riunirsi in un pacchetto flessibile ed estensibile, afferma Misra. Inoltre, devono essere progettati in modo tale che milioni, se non miliardi, di persone vogliano indossarli.

Altrettanto importante: I dispositivi destinati al mondo medico devono fornire dati di alta qualità. Se i dati raccolti non sono di qualità, a cosa servono? E tutti questi dati devono essere trasformati in informazioni utili. È qui che entrano in gioco l'analisi dei dati, l'apprendimento automatico e l'intelligenza artificiale. "Non si tratta di problemi irrisolvibili", afferma Misra, "ma di problemi interessanti su cui sta lavorando gran parte della comunità".

In conclusione: Il nostro futuro indossabile è ormai alle porte.