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Relógios inteligentes, rastreadores de condicionamento físico, roupas inteligentes, acessórios médicos inteligentes, luvas de dados - o mercado de eletrônicos vestíveis está evoluindo rapidamente além dos cuidados de saúde, condicionamento físico e bem-estar para infoentretenimento (notícias leves), e aplicações comerciais e industriais.

A eletrônica vestível consiste em várias áreas: sensores, atuadores eletrônicos e fonte ou geração de energia. Considerando que a primeira geração consistia principalmente de componentes destacáveis, a segunda geração está se movendo em direção a sensores, atuadores e soluções terapêuticas embutidos em têxteis.

Um dos principais desafios é o requisito de atingir e combinar diferentes propriedades, como flexibilidade, conforto do usuário e capacidade de miniaturizar e modernizar o dispositivo. Para fazer isso, os pesquisadores estão utilizando diferentes materiais como nanotubos de carbono, grafeno, polímeros e elastômeros dielétricos e compósitos. Eles são adaptados para aplicações específicas, dependendo de seus diferentes comportamentos característicos em diferentes estímulos.

Nanotecnologia Wearables 01

Diferentes campos de aplicação de nanomateriais em wearables.
a) Máscara facial à base de nanofibra com gerenciamento térmico. b) Roupa com aquecimento e resfriamento personalizado. c) Luva aquecível. d) Têxtil de regulação térmica. e) Exoesqueleto têxtil. f) Aquecedor extensível. g) Administração de drogas desencadeada por estiramento. (© Wiley-VCH Verlag)

Atuadores vestíveis

Os atuadores reagem a um sinal elétrico ou estímulos gerados a partir de uma unidade de processamento ou a um sinal obtido diretamente de um sensor. Esses estímulos podem ser desenvolvidos por meios mecânicos, térmicos, químicos ou magnéticos, enquanto as reações podem resultar em deformações estruturais, força ou movimento, aquecimento, ruído ou mesmo liberação de substância.

O desenvolvimento de e-têxteis e tecidos inteligentes ampliou as aplicações de atuadores vestíveis. Contribuiu para o desenvolvimento dos elementos de aquecimento embutidos em vestíveis; dispositivos terapêuticos baseados em nanocompósitos; músculos artificiais e atuadores musculares; dispositivos de reabilitação; e sistemas de entrega de drogas vestíveis.

Para ser incorporado à eletrônica vestível e flexível, a seleção do material é muito importante. Com base em suas aplicações, eles devem ter força, rigidez estrutural e flexibilidade suficientes e devem ser capazes de fornecer uma quantidade suficiente de força de acionamento. Além disso, devem possuir conforto e biocompatibilidade especialmente para sistemas de liberação de drogas e sistemas terapêuticos.

No entanto, materiais transdutores tradicionais como materiais piezoelétricos, materiais magnetostritivos e compostos de tunelamento quântico são muito difíceis de integrar em materiais flexíveis devido à sua pouca flexibilidade. Isso levou à exploração de diferentes grupos de materiais e ao desenvolvimento de novos nanocompósitos e outros materiais, incluindo nanopartículas de metais, polímeros eletroativos, polímeros condutores, líquidos iônicos, nanotubos de carbono, grafeno e ligas com memória de forma.

Com essa variedade de materiais e suas aplicações, os pesquisadores seguiram diferentes processos de fabricação, incluindo eletrofiação, revestimento por spray, tricô, tecelagem e fundição por solução.

Sensores vestíveis

Sensores de nanomateriais detectam um estímulo externo e o convertem em um sinal mensurável, que pode posteriormente ser transferido para uma unidade de processamento ou dispositivo de monitoramento.

O aparecimento de sensores em nossa vida cotidiana revolucionou a nossa qualidade de vida. Considere um smartphone moderno: ele pode corrigir, agregar e exibir com precisão a posição e orientação, integrando muitos sensores como giroscópio, acelerômetro, magnetômetro e barômetros em conjunto.

Mas espera-se que os sensores vestíveis sejam as aplicações mais viáveis ?? em um futuro próximo. Dispositivos vestíveis equipados com uma série de sensores simplificados, como temperatura, sensores de tensão para postura e movimento corporal, biossensores para monitoramento de doenças e sensores multifuncionais para detecção de voz e expressão facial podem alimentar dados em tempo real para um sistema central de processamento e monitoramento.

Sensores vestíveis precisam ser leves e flexíveis, exibir desempenho mecânico e térmico superior para evitar que sejam danificados e devem ter baixo custo.

A baixa flexibilidade e consistência dos sistemas de sensores tradicionais baseados em metal rígido e materiais semicondutores os torna amplamente inadequados para sensores vestíveis. Sensores vestíveis exigem novas abordagens em design de material e estrutura para possuir alta flexibilidade, extensibilidade, sensibilidade e ampla faixa de detecção.

Isso levou os pesquisadores a explorar novos nanocompósitos e nanomateriais para sensores vestíveis. A escolha de nanomateriais para sensores vestíveis considera principalmente as propriedades do material, a tecnologia de processamento e a possibilidade de produção em grande escala. Especialmente, nanomateriais 1D e nanocompósitos, incluindo nanofios metálicos e nanofibras, estão sendo muito utilizados.

A fim de obter extensibilidade em grande escala de nanomateriais, além de usar todos os materiais intrinsecamente extensíveis, muitos pesquisadores adotaram estratégias avançadas de projeto estrutural para melhorar o comportamento de deformação em nível de sistema, como estruturas onduladas, formatos de ferradura, serpentina filamentar ou estruturas fractais), e estruturas porosas incluindo esponjas e espumas.

Os sensores baseados em nanomateriais são preparados principalmente pela incorporação de nanomateriais em substratos flexíveis ou elásticos, como fibra, tecido ou matriz polimérica.

Nanotecnologia Wearables 02 Sensores de temperatura vestíveis baseados em nanomateriais.
a) Ilustração esquemática da combinação E-skin derivada de temperatura e pressão totalmente derivada de seda, imagem SEM de uma membrana de fibra de carbono derivada de seda e fotografia do sensor. (© Wiley-VCH Verlag)

Os pesquisadores já demonstraram vários sensores vestíveis inovadores com excelente desempenho sintetizando nanomateriais e nanocompósitos incorporando nanomateriais existentes: sensores de tensão / movimento; sensores de pressão; sensores de temperatura; e sensores multifuncionais.

Esses sensores vestíveis podem ser colocados ou embutidos em roupas ou presos a partes do corpo como dedo, pulso, braço, garganta, tórax e perna. Outros podem ser incorporados em acessórios de uso, como luvas, relógios, brincos, colares, broches e assim por diante.

Junto com a evolução da assistência médica digital, o campo da eletrônica vestível evoluiu rapidamente nos últimos anos e deve ser expandido ainda mais. Como o próximo estágio dos wearables está previsto para se mover em direção aos wearables integrados, nanomateriais e nanocompósitos estão no centro das atenções na busca por novos conceitos para integração. Além disso, a conversão de dispositivos atuais e vestíveis baseados em acessórios com tecnologia integrada pode envolver uma redução significativa de tamanho, mantendo suas capacidades funcionais. Sensores vestíveis baseados em nanomateriais já marcaram sua presença com uma distinção significativa, enquanto os atuadores vestíveis baseados em nanomateriais ainda estão em seu estágio embrionário.