La peau ionique : L’ingénierie d’une peau intelligente qui imite les capacités de détection de la peau naturelle.

La peau ionique

Yuta Dobashi, diplômé du programme de maîtrise en génie biomédical de l’UBC, et le conseiller pédagogique John Madden, professeur de génie électrique et informatique à la faculté des sciences appliquées de l’UBC. Crédit : Kai Jacobson/Faculté des sciences appliquées de l’UBC.

Les peaux ioniques ont démontré des avantages considérables dans l’effort de créer une peau intelligente qui correspond aux capacités de détection de la peau réelle. Elles sont constituées d’hydrogels biocompatibles et flexibles qui utilisent des ions pour transporter une charge électrique. Contrairement aux peaux intelligentes composées de plastiques et de métaux, les hydrogels sont aussi doux que la peau réelle. Cela donne une sensation plus naturelle au bras prothétique ou à la main du robot sur lesquels ils sont montés, et les rend confortables à porter.

Ces hydrogels peuvent générer des tensions lorsqu’on les touche, mais les scientifiques ne comprenaient pas clairement comment – jusqu’à ce qu’une équipe de chercheurs de l’Université de Colombie-Britannique (UBC) conçoive une expérience unique, publiée le 28 avril 2022 dans le journal Science.

“Le fonctionnement des capteurs en hydrogel consiste à produire des tensions et des courants en réaction à des stimuli, tels que la pression ou le toucher – ce que nous appelons une effet piézoionique. Mais nous ne savions pas exactement comment ces tensions sont produites”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Yuta Dobashi, qui a commencé ce travail dans le cadre de sa maîtrise en ingénierie biomédicale à l’UBC.

Yuta Dobashi

L’auteur principal de l’étude, Yuta Dobashi, a commencé ses travaux dans le cadre de sa maîtrise en ingénierie biomédicale à l’UBC. Crédit : Photo de Kai Jacobson/Faculté des sciences appliquées de l’UBC

Travaillant sous la supervision du Dr John Madden, chercheur à l’UBC, Dobashi a conçu des capteurs en hydrogel contenant des sels avec des ions positifs et négatifs de différentes tailles. Avec des collaborateurs des départements de physique et de chimie de l’UBC, il a appliqué des champs magnétiques pour suivre précisément le mouvement des ions lorsqu’une pression était appliquée au capteur.

“Lorsqu’une pression est appliquée au gel, cette pression propage les ions dans le liquide à des vitesses différentes, créant un signal électrique. Les ions positifs, qui ont tendance à être plus petits, se déplacent plus rapidement que les ions négatifs, plus gros. Il en résulte une distribution inégale des ions qui crée un champ électrique, ce qui fait fonctionner un capteur piézoélectrique.”

Les chercheurs affirment que ces nouvelles connaissances confirment que les hydrogels fonctionnent d’une manière similaire à la façon dont les humains détectent la pression, c’est-à-dire également par le déplacement des ions en réponse à la pression, inspirant de nouvelles applications potentielles pour les peaux ioniques.

Hydrogels de gelée d'ions

Les chercheurs utilisent un dessert en gelée pour démontrer comment les ions se déplacent dans les hydrogels. Crédit : Photo de Kai Jacobson/UBC Faculty of Applied Science.

” L’application évidente est la création de capteurs qui interagissent directement avec les cellules et le système nerveux, puisque les tensions, les courants et les temps de réponse sont semblables à ceux qui traversent les membranes cellulaires “, explique le Dr Madden, professeur de génie électrique et informatique à la faculté des sciences appliquées de l’UBC. “Lorsque nous connectons notre capteur à un nerf, il produit un signal dans le nerf. Le nerf, à son tour, active la contraction musculaire.”

“On peut imaginer un bras prothétique recouvert d’une peau ionique. La peau détecte un objet par le toucher ou la pression, transmet cette information au cerveau par les nerfs, et le cerveau active alors les moteurs nécessaires pour soulever ou tenir l’objet. Avec un développement plus poussé de la peau capteur et des interfaces avec les nerfs, cette interface bionique est concevable.”

Une autre application est un capteur souple en hydrogel porté sur la peau qui peut surveiller les signes vitaux d’un patient tout en étant totalement discret et en générant sa propre énergie.

Dobashi, qui termine actuellement son doctorat à l’Université de Toronto, souhaite continuer à travailler sur les technologies ioniques après avoir obtenu son diplôme.

Nous pouvons imaginer un avenir où des “ioniques” semblables à des gelées sont utilisées pour les implants corporels. Des articulations artificielles peuvent être implantées, sans crainte de rejet à l’intérieur du corps humain. Les dispositifs ioniques peuvent être utilisés dans le cartilage artificiel du genou, ajoutant un élément de détection intelligent. Un implant de gel piézo-ionique pourrait libérer des médicaments en fonction de la pression qu’il détecte, par exemple.”

Le Dr Madden a ajouté que le marché des peaux intelligentes est estimé à 4,5 milliards de dollars en 2019 et qu’il continue de croître. “Les peaux intelligentes peuvent être intégrées aux vêtements ou placées directement sur la peau, et les peaux ioniques sont l’une des technologies qui peuvent favoriser cette croissance.”

Référence : “Mécanorécepteurs piézo-ioniques : Force-induced current generation in hydrogels” par Yuta Dobashi, Dickson Yao, Yael Petel, Tan Ngoc Nguyen, Mirza Saquib Sarwar,Yacine Thabet, Cliff L. W. Ng, Ettore Scabeni Glitz, Giao Tran Minh Nguyen, Cédric Plesse, Frédéric Vidal, Carl A. Michal et John D. W. Madden, 28 avril 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.aaw1974

La recherche publiée dans Science, comprend des contributions de Yael Petel, titulaire d’un doctorat en chimie de l’UBC, et de Carl Michal, professeur de physique à l’UBC, qui ont utilisé l’interaction entre des champs magnétiques puissants et les spins nucléaires des ions pour suivre les mouvements des ions dans les hydrogels. Cédric Plesse, Giao Nguyen et Frédéric Vidal, de l’université CY Cergy Paris en France, ont contribué à l’élaboration d’une nouvelle théorie sur la manière dont la charge et la tension sont générées dans les hydrogels.

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