Nuestro futuro portátil, parte 2: ¿Cómo funcionará la nueva tecnología?

Esta es la segunda de una serie de dos partes sobre el futuro de la tecnología portátil. La primera parte (lea aquí) explora cómo serán los dispositivos portátiles del futuro y qué lograrán.

23 de agosto de 2022: levante su teléfono inteligente. Sí, lo has sostenido mil veces, es como una extensión de tus manos. Pero hagamos un experimento: tómalo por ambos extremos y estíralo lo más que puedas. Ahora gírelo. Envuélvelo alrededor de tu antebrazo. ¿Guay, verdad? Ahora déjalo retroceder.

Espera, ¿qué quieres decir con que tu teléfono no se dobla ni se estira?

Ese pequeño ejercicio de imaginación ilustra lo que es posible en el ámbito de los wearables: dispositivos electrónicos que usamos cerca o sobre nuestra piel. Hoy en día, los relojes inteligentes y los teléfonos siguen siendo bloques duros e inflexibles de plástico y metal. Mañana todo eso cambiará.

La directora del Centro ASSIST, la Dra. Veena Misra (centro izquierda) y luego el director adjunto, el Dr. John Muth (centro derecha), aparecen en la foto en las instalaciones de nanofabricación de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. El

"En los dispositivos portátiles, la flexibilidad, la capacidad de estiramiento y la capacidad de lavado son requisitos clave", dice Veena Misra, PhD, profesora de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y directora del Centro ASSIST, un instituto de investigación financiado por la Fundación Nacional de Ciencias que desarrolla wearables para ayudar a la salud.

“Estamos viendo este tipo de desarrollos en todos los ámbitos”, dice Misra, “y se puede rastrear eso en la cantidad de artículos [de investigación] que se publican sobre dispositivos portátiles. Ese número está creciendo exponencialmente”.

Tendemos a pensar en los dispositivos portátiles como dispositivos de consumo divertidos, pero una escuela de pensamiento cada vez mayor dice que mejorarán drásticamente la atención médica, proporcionando un vehículo para el monitoreo continuo y a largo plazo para predecir eventos adversos y seguir de cerca las enfermedades, mejorando los tratamientos y los resultados de salud en todo el mundo. .

Para que eso suceda, los dispositivos portátiles deben funcionar a la perfección con nuestros cuerpos. Eso significa hacer que los dispositivos y sistemas convencionalmente duros y rígidos se parezcan más a la piel humana: suaves, flexibles y estirables.

¿Cómo se consigue eso? Rediseñando la electrónica a nivel molecular, miniaturizando sensores y creando fuentes de energía inéditas para respaldar lo que los ingenieros llaman un "factor de forma" similar a la piel.

Para acuñar una frase, no es ciencia ficción. Está sucediendo mientras hablamos, y los nuevos productos que crearán estos avances (potencialmente comenzando en el cuidado de la salud y pasando al mercado del bienestar del consumidor) podrían volverse tan normales como ese teléfono tosco e inflexible que no puedes soltar. Así es cómo.

¿Por qué es importante el factor de forma?

Un dispositivo portátil que se adapta a su cuerpo es mejor en dos aspectos cruciales: es menos molesto para el usuario y permite una medición más confiable.

"Los sensores y los sistemas de sensores muchas veces sufren de desajustes mecánicos", dice Alper Bozkurt, PhD, ingeniero eléctrico y colega de Misra, en NC State y ASSIST. "Si tiene tejido blando que se mueve, pero un dispositivo sensor rígido que no se mueve, es posible que su medición no sea confiable".

Esto se debe a que todos esos golpes adicionales entre el dispositivo y su cuerpo aparecen como "ruido": información sin sentido que puede distorsionar la medición y llevar a conclusiones falsas.

En los dispositivos portátiles, la flexibilidad, la capacidad de estiramiento y la capacidad de lavado son requisitos clave.

Luego está el “factor humano”, señala Bozkurt: la cuestión del cumplimiento.

"Uno de los desafíos es que diseñamos cosas en el laboratorio, probamos todo y se lo llevamos a nuestros operadores médicos, quienes levantan las cejas y dicen: 'No, mis pacientes no van a usar esto'", dice Bozkurt. "No se puede imaginar un futuro para los dispositivos portátiles sin resolver el problema del cumplimiento".

La gente quiere un dispositivo que sea cómodo, que no sobresalga y que requiera poca interacción, afirma Bozkurt. "Lo llamamos usar y olvidar". Podrías comparar esto con usar una curita: claro, la notas de vez en cuando, pero en general pasa a un segundo plano, sin interferir con tus tareas diarias y sin que los demás se den cuenta de que está ahí.

Un reloj de pulsera puede parecer bastante cómodo, pero las aplicaciones van más allá de lo que un reloj de pulsera puede permitir, señala Michael Daniele, PhD, miembro del equipo NC State/ASSIST, que estudia nanomateriales blandos para diseñar dispositivos que monitoreen, imiten o complementen las funciones corporales. .

Se están desarrollando dispositivos portátiles para ayudar a los pacientes e incluso tratarlos de manera "en la que la comodidad del paciente sea una prioridad", afirma.

Tomemos como ejemplo el uso de electrodos y componentes electrónicos en los encajes protésicos de las extremidades inferiores, afirma. “Imagínese unos cuantos tornillos de metal presionando su extremidad con la que soporta todo su peso, o imagínese llenando su zapato con una serie de piedras. Ese es el estado de los wearables para un usuario así”.

Bien, entonces, ¿cómo se hacen los dispositivos electrónicos suaves y elásticos?

Una forma es tomar elementos duros utilizados para controlar la salud (como chips de silicio) y hacerlos tan delgados que se vuelvan flexibles. Entre los primeros en demostrar este tipo de tecnología de materiales en dispositivos portátiles similares a la piel estuvo John Rogers, PhD, en 2011, en un artículo científico histórico titulado Epidermal Electronics.

“Habíamos estado bastante activos en ese campo durante varios años”, dice Rogers, quien en ese momento estaba en la Universidad de Illinois y desde entonces se mudó a la Universidad Northwestern. "Pero luego nos dimos cuenta de que incluso el silicio, que la mayoría de la gente considera un material muy rígido y quebradizo parecido a una roca, puede adoptar formas y espesores que permitan doblarlo y... incluso estirarlo".

Rogers, cuyo equipo tiene varias aplicaciones en desarrollo, utiliza una técnica de grabado para raspar la superficie de una oblea semiconductora.

"Resulta que toda la acción en esos circuitos integrados ocurre en esa capa muy cercana a la superficie", dice. "Todo el silicio que hay debajo sirve simplemente como soporte mecánico".

Luego, esa capa crítica se incrusta en una matriz polimérica elástica, explica Rogers, lo que les permite diseñar sistemas completamente funcionales que pueden doblarse, torcerse y estirarse.

Otros utilizan un enfoque diferente, construyendo piezas electrónicas desde cero a partir de materiales que son inherentemente suaves y elásticos: los polímeros. Este es el tipo de trabajo que realiza el ingeniero químico de Stanford, Zhenan Bao, PhD, utilizando una variedad de polímeros con propiedades conductoras.

"En nuestro trabajo, adquirimos una comprensión fundamental sobre cómo diseñar moléculas de plástico para que tengan las funciones y propiedades que queremos", dice Bao. En el caso de la electrónica similar a la piel, los plásticos están diseñados, a nivel molecular, para ser conductores, elásticos y blandos.

Una de las creaciones más recientes del laboratorio de Bao es un polímero que se ilumina y permite visualizaciones similares a las de la piel. Se imagina un parche cutáneo con la pantalla encima o, más aún, una cita de telesalud en la que el médico pueda ver y sentir la textura de la piel del paciente a través de una pantalla tridimensional y realista. Ejemplo: un examen para comprobar la retención grave de líquidos en pacientes con insuficiencia cardíaca es presionar la piel para ver si rebota, dice Bao. El paciente envolvería una pegatina electrónica alrededor de su pierna y la presionaría para generar una pantalla para el médico externo. "El médico podría sentir en la pantalla la textura de la piel que sentiría el paciente", dice, desde un lugar remoto.

“Por supuesto, esto todavía está muy lejos”, señala Bao. "Pero eso es lo que creo que sería posible y que se podría lograr mediante pantallas y sensores similares a la piel".

Más avances salvajes: metales líquidos, enlaces de plasma, sensores químicos

Otros acontecimientos continúan. Los avances en metales líquidos permiten cables conductores estirables. Las antenas textiles resistentes a la humedad pueden transmitir datos si se usan cerca de la piel. Métodos como la unión por plasma de vapor de agua unen metales finos a polímeros blandos sin perder flexibilidad ni utilizar altas temperaturas y presiones que puedan dañar los componentes electrónicos superdelgados.

Los sensores también están mejorando: esa es la parte que interactúa con lo que sea que intentes medir. La mayoría de los sensores portátiles comerciales son mecánicos (utilizados para rastrear la actividad física) u ópticos (latidos del corazón, oximetría de pulso). Pero también se están desarrollando sensores químicos para medir marcadores internos en el cuerpo. Estos son fundamentales para revelar el panorama completo de su salud, dice Joseph Wang, doctor en ciencias y profesor de nanoingeniería en la Universidad de California en San Diego, quien ha publicado investigaciones sobre biosensores y dispositivos portátiles.

Los investigadores de Stanford crearon un polímero que se ilumina y puede usarse para construir una pantalla a color flexible. Se sostiene cuando se estira o se flexiona. Laboratorio de investigación del grupo Credit Bao

Por ejemplo, un aumento del lactato y una caída de la presión arterial pueden significar que tiene un shock séptico. Medir los niveles de potasio puede brindar información sobre los cambios en la frecuencia cardíaca. Y la combinación de mediciones de presión arterial y glucosa puede revelar más sobre la salud metabólica que cualquiera de ellas por separado. "Si los combinas, obtendrás mejores pruebas", dice Wang.

Aquí es donde la nueva tecnología puede volverse realmente geek. Los sensores químicos están hechos de algunos de los nanomateriales más exóticos, como grafeno, nanotubos de carbono y nanopartículas de oro, dice Daniele. Algunos (en particular los sensores de glucosa) utilizan enzimas que se unen a moléculas objetivo. Otros utilizan aptámeros, hebras simples cortas de ADN o ARN.

Los sensores químicos normalmente funcionan con fluidos corporales como sudor, saliva, lágrimas o, como es el caso de los monitores continuos de glucosa, líquido intersticial (el líquido entre las células del cuerpo).

"La mayoría de las cosas que deseas medir en sangre podrás hacerlas en el líquido intersticial si cuentas con la tecnología de sensores", dice Jason Heikenfeld, PhD, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Cincinnati. Imagínese que le realizan un análisis de sangre completo simplemente colocándose un parche en la piel, sin necesidad de muestra de sangre.

Heikenfeld también ha investigado el sudor, que parece útil para medir los niveles hormonales (como los que regulan el estrés, el sexo y el sueño) y monitorear medicamentos recetados, es decir, monitorear los niveles de un medicamento en el cuerpo y rastrear qué tan rápido se metaboliza, dijo. dice.

Los sensores de sudor también pueden encontrar un lugar en las pruebas caseras, afirma Heikenfeld. "Si hubiera un premio popular para los biofluidos, el sudor ganaría", afirma. “No queremos hacer sangre, no queremos babear en un vaso, no queremos meternos con una tira de orina. Lágrimas, olvídalo. La prueba sería un simple parche que se coloca en el brazo; Recoja un poco de líquido, póngalo en un sobre y envíelo por correo a un laboratorio”.

Fuentes de energía portátiles: más allá de las baterías AA

Si desea crear un dispositivo electrónico flexible y estirable, necesitará una forma estirable, flexible e incluso lavable para alimentarlo. Muchos de los dispositivos portátiles actuales, como los relojes inteligentes, funcionan con baterías muy pequeñas pero aún rígidas, afirma Bao. De ahí la forma voluminosa.

"Ciertamente existe una gran demanda de baterías verdaderamente flexibles y de alta densidad energética", afirma.

Si existiera un premio de elección popular para los biofluidos, el sudor ganaría.

Esta demanda ha llevado a investigadores de todo el mundo a desarrollar baterías que puedan estirarse y flexionarse. Por nombrar sólo algunos ejemplos recientes, investigadores canadienses desarrollaron una batería flexible y lavable que puede estirarse hasta duplicar su longitud original y seguir funcionando. En Singapur, los científicos crearon una batería de zinc biodegradable, delgada como un papel, que se puede doblar, torcer e incluso cortar con tijeras (como cualquier trozo de papel) y seguirá funcionando. Otros más están diseñando baterías en tiras largas que pueden usarse en ropa inteligente.

Otra opción es la energía inalámbrica, afirma Bao. No es necesario que la batería esté en el dispositivo; puede estar en su ropa o en su bolsillo y aún así alimentar los sensores. El laboratorio de Bao en Stanford ha desarrollado un dispositivo portátil con forma de pegatina llamado BodyNet que se puede cargar mediante identificación por radiofrecuencia, la misma tecnología utilizada para controlar la entrada sin llave a habitaciones cerradas.

Otros, como Misra y sus colegas de ASSIST, están explorando alternativas a las baterías, como la recolección de energía o la conversión del calor corporal, la energía solar o el movimiento en energía.

Misra está trabajando en un generador de energía que puede convertir la diferencia de temperatura entre la piel y la habitación en energía para alimentar un dispositivo. "Tienes una temperatura de la piel de, digamos, 98,6 grados", dice. “La temperatura en su habitación probablemente sea de unos 70 grados Fahrenheit. Y esa diferencia de temperatura de 28 grados se puede reducir a través de un dispositivo llamado generador termoeléctrico, que puede convertir esa diferencia de energía en energía”.

Imagínese: ya no tendrá que preocuparse de que la batería se agote, se moje o tenga que recargarla. "Tu cuerpo es la batería", dice Misra.

Que sigue

Para que los wearables alcancen realmente su máximo potencial, todas las piezas deben ser más eficientes energéticamente y unirse en un paquete flexible y extensible, afirma Misra. También deben diseñarse de tal manera que millones, si no miles de millones, de personas quieran usarlos.

Igual de importante: los dispositivos destinados al mundo médico deben proporcionar datos de máxima calidad. Si los datos recopilados no son el estándar de oro, ¿de qué sirven? Y todos esos datos deben convertirse en información útil. Ahí es donde entran en juego el análisis de datos, el aprendizaje automático y la inteligencia artificial. "Estos no son problemas sin solución", dice Misra, "pero son problemas interesantes en los que gran parte de la comunidad está trabajando".

En pocas palabras: nuestro futuro portátil está en camino.

Veena Misra, PhD, profesora de ingeniería eléctrica, Universidad Estatal de Carolina del Norte; director, Centro Estatal de Carolina del Norte para Sistemas Autoalimentados Avanzados de Sensores y Tecnologías Integrados (ASSIST).

Alper Bozkurt, PhD, ingeniero eléctrico, Universidad Estatal de Carolina del Norte y su Centro ASSIST.

Michael Daniele, PhD, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, Universidad Estatal de Carolina del Norte.

John Rogers, PhD, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y cirugía neurológica de la Universidad Northwestern.

Zhenan Bao, PhD, profesor de ingeniería química, Universidad de Stanford.

Joseph Wang, DSc, distinguido profesor de nanoingeniería, Universidad de California, San Diego.

Jason Heikenfeld, PhD, profesor de ingeniería eléctrica, Universidad de Cincinnati.