Informée par la mécanique et le calcul, la bioélectronique flexible peut mieux s’adapter à un corps sinueux

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Aujourd’hui, les téléphones pliables sont omniprésents. Maintenant, en utilisant des modèles qui prédisent dans quelle mesure un appareil électronique flexible se conformera aux surfaces sphériques, les ingénieurs de l’Université du Wisconsin-Madison et de l’Université du Texas à Austin pourraient inaugurer une nouvelle ère dans laquelle ces appareils flexibles peuvent s’intégrer de manière transparente avec des parties du corps humain. .

À l’avenir, par exemple, une rétine artificielle bioélectronique flexible implantée dans le globe oculaire d’une personne pourrait aider à restaurer la vision, ou une lentille de contact intelligente pourrait détecter en continu les niveaux de glucose dans le corps.

« Grâce à notre puissant modèle de simulation, nous pouvons désormais prédire immédiatement la conformabilité, ce qui accélère considérablement le processus de conception de l’électronique flexible », déclare Ying Li, professeur agrégé de génie mécanique à l’UW-Madison, dont le groupe de recherche a développé les modèles informatiques. « Les résultats de la simulation donnent des indications très claires aux expérimentateurs, qui peuvent désormais déterminer la conception optimale sans avoir à faire de nombreuses expériences extrêmement chronophages. »

Les chercheurs ont détaillé leurs travaux dans un article publié le 19 avril 2023 dans la revue Les avancées scientifiques.

Pour fonctionner comme prévu, les dispositifs bioélectroniques doivent établir un contact très étroit avec les tissus vivants et éviter de se déformer ou de se plisser. Cependant, les chercheurs ont eu du mal à faire en sorte que l’électronique flexible se conforme pleinement aux soi-disant « surfaces non développables » – des surfaces telles que des sphères qui ne peuvent pas être aplaties sans se casser ou se froisser – qui se trouvent partout dans le corps humain.

Dans cette étude, l’équipe de recherche a utilisé une combinaison d’approches expérimentales, analytiques et numériques pour étudier systématiquement la façon dont les feuilles polymères circulaires (qui imitent les propriétés mécaniques de l’électronique flexible), ainsi que les feuilles circulaires partiellement coupées, se conforment aux surfaces sphériques. L’analyse de ces résultats a permis aux chercheurs de dériver une formule prête à l’emploi qui révèle la physique sous-jacente et prédit la conformabilité de l’électronique flexible.

« Les résultats de nos trois méthodes différentes pointaient tous vers la même physique, ce qui est passionnant », déclare Nanshu Lu, professeur au Département d’ingénierie aérospatiale et d’ingénierie mécanique de l’Université du Texas à Austin, qui a dirigé la recherche expérimentale. « Nous avons formulé une équation mathématique très simple pour guider la conception de l’électronique flexible pour une conformabilité maximale, et cela devrait avoir un impact significatif sur le terrain. »

De plus, les chercheurs ont démontré une méthode simple et élégante pour améliorer considérablement la capacité des feuilles flexibles à se conformer aux surfaces sphériques. Inspirés par l’art japonais du kirigami, dans lequel le papier est découpé et plié, les chercheurs ont réalisé les coupes radiales les plus simples possibles dans la feuille circulaire, améliorant sa conformabilité de 40% à plus de 90%.

Selon Li, cette avancée stimulera l’innovation dans le domaine en permettant à de nombreux autres chercheurs de concevoir une électronique flexible améliorée.

« Il s’agit du premier travail à fournir une image complète pour comprendre le processus complexe de la façon dont l’électronique flexible se conforme à ces surfaces compliquées », a déclaré Li. « Cette avancée ouvrira la voie à toutes les études futures dans le domaine du développement de la bioélectronique qui pourra mieux se conformer au corps humain. »

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