Ingenieros del MIT e investigadores de Corea del Sur han desarrollado una "piel electrónica" a prueba de sudor: un parche adhesivo adaptable con sensores que vigila la salud de una persona sin que funcione mal ni se desprenda, incluso cuando el usuario transpira.

El parche está provisto de conductos de sudor artificiales, similares a los poros de la piel humana, que los investigadores grabaron a través de las capas ultrafinas del material. Los poros perforan el parche siguiendo un patrón similar al del kirigami, el arte japonés de cortar papel. El diseño garantiza que el sudor pueda salir a través del parche, evitando la irritación de la piel y el daño a los sensores incorporados.

El diseño kirigami también ayuda a que el parche se adapte a la piel humana cuando se estira y se dobla. Esta flexibilidad, unida a la capacidad del material para resistir el sudor, permite controlar la salud de una persona durante largos periodos de tiempo, lo que no ha sido posible con los anteriores diseños de "piel electrónica". Los resultados, que se publican hoy en Science Advances, suponen un paso adelante hacia las pieles inteligentes de larga duración que podrían hacer un seguimiento de las constantes vitales diarias o de la progresión del cáncer de piel y otras afecciones.  

"Con este parche cutáneo conformable y transpirable, no habrá acumulación de sudor, información errónea o desprendimiento de la piel", afirma Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT. "Podemos proporcionar sensores vestibles que pueden hacer un seguimiento constante a largo plazo".

Entre los coautores de Kim se encuentran el autor principal y postdoc del MIT, Hanwool Yeon, e investigadores de los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de los Materiales del MIT, y del Laboratorio de Investigación de Electrónica, junto con colaboradores del conglomerado de cosméticos Amorepacific y otras instituciones de Corea del Sur.

Un sudoroso obstáculo

El grupo de Kim está especializado en la fabricación de películas semiconductoras flexibles. Los investigadores han sido pioneros en una técnica llamada epitaxia remota, que consiste en hacer crecer películas semiconductoras ultrafinas de alta calidad sobre obleas a alta temperatura y desprender selectivamente las películas, que luego pueden combinar y apilar para formar sensores mucho más finos y flexibles que los diseños convencionales basados en obleas.

Recientemente, su trabajo llamó la atención de la empresa de cosméticos Amorepacific, que estaba interesada en desarrollar una cinta delgada que se pudiera llevar puesta para controlar continuamente los cambios en la piel. La empresa inició una colaboración con Kim para crear las películas semiconductoras flexibles del grupo y convertirlas en algo que pudiera llevarse puesto durante largos periodos de tiempo.

Pero el equipo no tardó en toparse con una barrera que otros diseños de pieles electrónicas aún no han superado: el sudor. La mayoría de los diseños experimentales incrustan los sensores en materiales pegajosos a base de polímeros que no son muy transpirables. Otros diseños, hechos de nanofibras tejidas, pueden dejar pasar el aire, pero no el sudor. Para que una piel electrónica funcione a largo plazo, Kim se dio cuenta de que tendría que ser permeable no sólo al vapor, sino también al sudor.

"El sudor puede acumularse entre la piel electrónica y la piel, lo que podría provocar daños en la piel y un mal funcionamiento del sensor", afirma Kim. "Así que tratamos de abordar estos dos problemas al mismo tiempo, permitiendo que el sudor permee a través de la piel electrónica".

El corte

Para inspirarse en el diseño, los investigadores se fijaron en los poros del sudor humano. Descubrieron que el diámetro del poro medio mide unas 100 micras y que los poros están distribuidos aleatoriamente por toda la piel. Hicieron algunas simulaciones iniciales para ver cómo podían superponer y organizar los poros artificiales, de manera que no bloquearan los poros reales de la piel humana.

"Nuestra idea es que, si proporcionamos conductos de sudor artificiales en la piel electrónica y creamos vías altamente permeables para el sudor, podemos conseguir una monitorización a largo plazo", explica Yeon. 

Empezaron con un patrón periódico de agujeros, cada uno del tamaño de un poro de sudor real. Descubrieron que si los poros estaban muy juntos, a una distancia menor que el diámetro medio de un poro, el patrón en su conjunto permeabilizaría el sudor de forma eficaz. Pero también descubrieron que si este sencillo patrón de agujeros se grababa a través de una fina película, ésta no era muy elástica y se rompía fácilmente al aplicarla sobre la piel.

Los investigadores descubrieron que podían aumentar la fuerza y la flexibilidad del patrón de agujeros cortando canales finos entre cada agujero, creando un patrón de mancuernas repetidas, en lugar de simples agujeros, que relajaban la tensión, en lugar de concentrarla en un solo lugar. Este patrón, cuando se graba en un material, crea un efecto de estiramiento similar al del kirigami.

"Si se envuelve un trozo de papel sobre una pelota, no es conformable", dice Kim. "Pero si se recorta un patrón de kirigami en el papel, se puede conformar. Así que pensamos, ¿por qué no conectar los agujeros con un corte, para tener una conformabilidad similar a la del kirigami en la piel? Al mismo tiempo podemos permeabilizar el sudor".

Siguiendo este razonamiento, el equipo fabricó una piel electrónica a partir de múltiples capas funcionales, cada una de las cuales grabó con poros en forma de mancuerna. Las capas de la piel comprenden un conjunto ultrafino de sensores con patrones de semiconductores para controlar la temperatura, la hidratación, la exposición a los rayos ultravioleta y la tensión mecánica. Este conjunto de sensores está intercalado entre dos finas películas protectoras, todo ello superpuesto a un adhesivo polimérico pegajoso.

"La piel electrónica es como la piel humana: muy elástica y suave, y el sudor puede atravesarla", afirma Yeon.

Los investigadores probaron la e-skin pegándola en la muñeca y la frente de un voluntario. El voluntario llevó la cinta continuamente durante una semana. A lo largo de este periodo, la nueva piel electrónica midió de forma fiable su temperatura, niveles de hidratación, exposición a los rayos UV y pulso, incluso durante actividades que inducían al sudor, como correr en una cinta durante 30 minutos y consumir una comida picante.

El diseño del equipo también se ajustaba a la piel, adhiriéndose a la frente del voluntario cuando se le pedía que frunciera el ceño repetidamente mientras sudaba profusamente, en comparación con otros diseños de e-skin que carecían de permeabilidad al sudor y se desprendían fácilmente de la piel.

Kim tiene previsto mejorar la resistencia y la durabilidad del diseño. Aunque la cinta es permeable al sudor y muy adaptable, gracias a su patrón de kirigami, es este mismo patrón, junto con la forma ultrafina de la cinta, lo que la hace bastante frágil a la fricción. Por ello, los voluntarios tuvieron que llevar una funda alrededor de la cinta para protegerla durante actividades como la ducha.

"Como la piel electrónica es muy blanda, puede sufrir daños físicos", afirma Yeon. "Nuestro objetivo es mejorar la resistencia de la piel electrónica".