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Hybrid quantum dot and graphene wearable sensor for systemic hemodynamics and hydration monitoring

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Rilevatori a punti quantici in grafene per la nuova generazione di dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute

Gli ingombranti sistemi di monitoraggio della salute potrebbero presto diventare un ricordo del passato grazie ai nuovi dispositivi sviluppati nell'ambito del progetto GRAPHEALTH. Di fatto questi dispositivi potrebbero contribuire a plasmare l'elettronica flessibile del futuro e il mercato dei dispositivi indossabili intelligenti.

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Il monitoraggio della salute, specialmente durante l'esercizio fisico, è stato una delle primissime applicazioni che ha consentito ai dispositivi indossabili intelligenti di passare da un'idea tecnologica accattivante a prodotti effettivamente commercializzabili. Tuttavia, un monitoraggio della salute esteso, in grado di rilevare tutti i tipi di indicatori di salute, tende a diventare rapidamente ingombrante. Questo significa che, finora, gli ingegneri hanno dovuto trovare il miglior compromesso tra funzionalità e comfort: solo un numero limitato di componenti può essere integrato, rendendo l'intero sistema molto meno attraente di quanto potrebbe esserlo. Una soluzione, secondo il dott. Frank Koppens dell'Istituto spagnolo di Scienze fotoniche (ICFO), risiede nelle proprietà intrinseche dei rilevatori a punti quantici in grafene (GQD), dei fotorilevatori con caratteristiche derivate da grafeni e punti quantici semiconduttori. I rilevatori GQD consentirebbero infatti lo sviluppo di un sistema flessibile, compatto e indossabile per il monitoraggio costante della salute dei consumatori e della salute muscolare degli atleti durante l'esercizio o dopo un infortunio. «Il nostro fotorilevatore è molto sensibile alla luce per un intervallo di lunghezze d'onda molto ampio, da 300 a 2 200 nm. Ma soprattutto, è flessibile», sottolinea il dott. Koppens. «Ciò è reso possibile dal fatto che il rilevatore può essere posizionato praticamente su qualsiasi substrato flessibile. «È spesso solo poche centinaia di nanometri, quindi è eccellente per l'integrazione nei sensori indossabili». L'uso del grafene è fondamentale in quanto fornisce un conduttore ultrasottile con proprietà di conducibilità estremamente elevate, in particolare per la mobilità elettronica. Inoltre, il grafene può essere facilmente trasferito su substrati flessibili e può coprire aree relativamente grandi. «Funziona così», spiega il dott. Koppens. «La luce, proveniente da un dispositivo LED o dall'ambiente, entra nella pelle e poi interagisce con il tessuto e i vasi sanguigni. Qui una parte viene assorbita e una parte rimbalza sulla pelle, nel qual caso può essere raccolta dal rilevatore. Quindi, se le vene si espandono e si contraggono a causa del battito cardiaco, anche il segnale di fotorilevamento si modula. In altre parole, il battito cardiaco è direttamente visibile dal segnale di fotorilevamento». Questo, ovviamente, è solo un esempio. La tecnologia, sviluppata nell’ambito del progetto GRAPHEALTH (Hybrid quantum dot and graphene wearable sensor for systemic hemodynamics and hydration monitoring) ha dimostrato la sua capacità di essere utilizzata anche per il monitoraggio dell'ossigeno. Presto saranno individuati anche altri importanti indicatori di salute. Il fotorilevatore GRAPHEALTH è compatibile con gli attuali processi di produzione elettronica flessibile, il che significa che l'industria non si dovrebbe aspettare grandi costi di investimento. «Abbiamo realizzato diversi prototipi di dispositivi indossabili, incluso uno per il polso e una specie di cerotto, e abbiamo dimostrato che questi possono essere prodotti con grafene di grandi dimensioni scalabile», afferma con entusiasmo il dott. Koppens. Ora che il progetto è giunto al termine, il dottor Koppens e il suo team intendono rendere il sistema GRAPHEALTH più versatile integrando più indicatori di salute. Vogliono anche sviluppare un cerotto sanitario completamente integrato, che includa non solo il cerotto, ma anche l'elettronica, il trasferimento di potenza wireless e il trasferimento dati wireless. «È difficile fare previsioni sulla potenziale commercializzazione, perchè l'elettronica flessibile e i dispositivi indossabili sono mercati ancora molto giovani. Siamo in grado di creare una gamma molto ampia di dispositivi indossabili diversi, e possiamo prendere in considerazione anche l'integrazione in dispositivi indossabili esistenti, come la combinazione con un orologio intelligente. La sfida ora è prendere scelte sagge in merito all'esatta applicazione su cui concentrarsi», conclude il dottor Koppens.

Parole chiave

GRAPHEALTH, monitoraggio della salute, grafene, dispositivi indossabili intelligenti

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