Notre avenir portable, partie 2 : comment les nouvelles technologies fonctionneront-elles ?

Par Jerilyn Covert

Voici la deuxième partie d'une série de deux articles sur l'avenir des technologies portables. La première partie (à lire ici) explore ce à quoi ressembleront les futurs wearables et ce qu'ils accompliront.

Le 23 août 2022 - Prenez votre smartphone. Oui, vous l'avez tenu des milliers de fois, c'est comme une extension de vos mains. Mais faisons une expérience : Attrapez-le par les deux extrémités et étirez-le au maximum. Maintenant, tordez-le. Enroulez-le autour de votre avant-bras. Cool, non ? Maintenant, laisse-le se détacher.

Attends, comment ça ton téléphone ne peut pas se plier et s'étirer ?

Ce petit exercice d'imagination illustre ce qui est possible dans le domaine des wearables, ces appareils électroniques que l'on porte à même la peau. Aujourd'hui, les smartwatches et les téléphones sont encore des blocs de plastique et de métal durs et inflexibles. Demain, tout cela va changer.

"Dans les wearables, la flexibilité, l'extensibilité et la lavabilité sont des exigences essentielles", explique Veena Misra, PhD, professeur d'ingénierie électrique à l'université d'État de Caroline du Nord et directrice du centre ASSIST, un institut de recherche financé par le gouvernement fédéral qui développe des wearables pour aider la santé.

"Nous assistons à ce type d'évolution dans tous les domaines", explique Veena Misra, "et on peut le constater au nombre d'articles [de recherche] publiés sur les wearables. Ce nombre est en croissance exponentielle."

Nous avons tendance à considérer les "wearables" comme des gadgets de consommation amusants, mais une école de pensée croissante affirme qu'ils amélioreront radicalement les soins de santé - en fournissant un véhicule de surveillance continue à long terme pour prédire les événements indésirables et suivre de près les maladies, améliorant ainsi les traitements et les résultats de santé dans le monde entier.

Pour que cela se produise, les "wearables" doivent fonctionner de manière transparente avec notre corps. Cela signifie que les dispositifs et systèmes conventionnels, durs et rigides, doivent ressembler davantage à la peau humaine : ils doivent être souples, flexibles et extensibles.

Comment y parvenir ? En redessinant l'électronique au niveau moléculaire, en miniaturisant les capteurs et en créant des sources d'énergie inouïes pour supporter ce que les ingénieurs appellent un "facteur de forme" semblable à la peau.

Pour reprendre une expression, ce n'est pas de la science-fiction. C'est en train de se produire en ce moment même, et les nouveaux produits que ces progrès permettront de créer - en commençant potentiellement par les soins de santé et en s'étendant au marché du bien-être des consommateurs - pourraient devenir aussi normaux que ce téléphone encombrant et inflexible dont vous ne pouvez plus vous passer. Voici comment.

Pourquoi le facteur de forme est-il important ?

Un appareil qui épouse la forme de votre corps est meilleur à deux égards essentiels : Il est moins gênant pour l'utilisateur et permet des mesures plus fiables.

"Les capteurs et les systèmes de capteurs souffrent souvent d'une inadéquation mécanique", explique Alper Bozkurt, ingénieur électricien et collègue de Misra à NC State et ASSIST. "Si vous avez un tissu mou qui bouge, mais un dispositif de détection rigide qui ne bouge pas, votre mesure peut ne pas être fiable."

En effet, tous ces mouvements supplémentaires entre l'appareil et votre corps se traduisent par du "bruit", c'est-à-dire des informations sans signification qui peuvent fausser la mesure et conduire à des conclusions erronées.

Ensuite, il y a le "facteur humain", note M. Bozkurt - la question de la conformité.

L'un des défis est que nous concevons des choses en laboratoire, que nous testons tout, que nous les présentons à nos opérateurs médicaux et qu'ils haussent les sourcils en disant : "Non, mes patients ne vont pas porter ça", explique M. Bozkurt. "Vous ne pouvez pas imaginer un avenir pour les wearables sans résoudre la question de la conformité".

Les gens veulent un dispositif qui soit confortable, qui ne dépasse pas et qui nécessite peu d'interaction, dit Bozkurt. "Nous appelons cela porter-et-oublier". On pourrait comparer cela au port d'un sparadrap : bien sûr, vous le remarquez de temps en temps, mais le plus souvent il passe au second plan, sans interférer avec vos tâches quotidiennes et sans que les autres s'en aperçoivent.

Une montre-bracelet peut sembler assez confortable, mais les applications vont au-delà de ce qu'une montre-bracelet peut permettre, note Michael Daniele, PhD, membre de l'équipe NC State / ASSIST, qui étudie les nanomatériaux mous pour concevoir des dispositifs qui surveillent, imitent ou complètent les fonctions corporelles.

Des dispositifs portables sont mis au point pour aider les patients, voire les traiter, d'une manière "où le confort du patient est une priorité", explique-t-il.

Prenons l'exemple de l'utilisation d'électrodes et d'appareils électroniques dans les emboîtages des prothèses des membres inférieurs. "Imaginez quelques vis métalliques enfoncées dans votre membre et qui vous permettent de supporter tout votre poids, ou imaginez que votre chaussure soit remplie d'une série de pierres. Voilà l'état des wearables pour un tel utilisateur."

OK, alors comment rendre l'électronique souple et extensible ?

L'un des moyens consiste à prendre des éléments durs utilisés pour surveiller la santé - comme les puces en silicium - et à les rendre si fins qu'ils deviennent flexibles. John Rogers, PhD, a été l'un des premiers à démontrer ce type de technologie matérielle dans des dispositifs portables semblables à la peau, en 2011, dans un article historique de Science intitulé Epidermal Electronics.

"Nous étions assez actifs dans ce domaine depuis plusieurs années", explique John Rogers, qui était à l'époque à l'université de l'Illinois et a depuis rejoint l'université Northwestern. "Mais nous nous sommes rendu compte que même le silicium - que la plupart des gens considèrent comme un matériau très rigide et cassant, semblable à de la roche - peut être transformé en formes et en épaisseurs qui permettent de le plier et... même de l'étirer."

Rogers, dont l'équipe a plusieurs applications en cours de développement, utilise une technique de gravure pour raser la surface d'une plaquette de semi-conducteurs.

"Il s'avère que toute l'action de ces circuits intégrés se produit sur cette couche très proche de la surface", explique-t-il. "Tout le silicium qui se trouve en dessous ne sert que de support mécanique".

Cette couche critique est ensuite intégrée dans une matrice polymère élastique, explique M. Rogers, ce qui permet de concevoir des systèmes entièrement fonctionnels qui peuvent se plier, se tordre et s'étirer.

D'autres encore utilisent une approche différente, en construisant des pièces électroniques à partir de matériaux qui sont par nature souples et extensibles - les polymères. C'est le genre de travail que fait l'ingénieur chimiste de Stanford Zhenan Bao, docteur en chimie, qui utilise une gamme de polymères aux propriétés conductrices.

"Dans notre travail, nous acquérons une compréhension fondamentale de la manière de concevoir les molécules de plastique afin qu'elles aient les fonctions et les propriétés que nous souhaitons", explique M. Bao. Pour les produits électroniques semblables à la peau, les plastiques sont conçus - au niveau moléculaire - pour être conducteurs, élastiques et doux.

L'une des créations les plus récentes du laboratoire de Mme Bao est un polymère qui s'allume, permettant des affichages visuels semblables à ceux de la peau. Elle imagine un patch cutané avec un affichage directement sur la peau ou, plus loin, un rendez-vous de télésanté où le médecin pourrait voir et sentir la texture de la peau du patient grâce à un affichage tridimensionnel et réaliste. Exemple : Selon M. Bao, un examen permettant de vérifier la présence d'une rétention d'eau importante chez les patients souffrant d'insuffisance cardiaque consiste à appuyer sur la peau pour voir si elle rebondit. Le patient enroulerait un autocollant électronique autour de sa jambe et appuierait dessus pour générer un affichage pour le médecin hors site. "Le médecin serait en mesure de sentir sur l'écran la texture de la peau ressentie par le patient", explique-t-elle, à distance.

"Bien sûr, c'est encore très loin", note Mme Bao. "Mais c'est ce que je pense être possible grâce à des écrans et des capteurs semblables à ceux de la peau."

Autres avancées sauvages : Métaux liquides, collage par plasma, capteurs chimiques

D'autres développements se poursuivent. Les progrès réalisés dans le domaine des métaux liquides permettent de fabriquer des fils conducteurs extensibles. Des antennes à base de textile, résistantes à l'humidité, peuvent transmettre des données lorsqu'elles sont portées à même la peau. Des méthodes telles que le collage par plasma de vapeur d'eau permettent de fixer des métaux fins à des polymères souples sans perte de flexibilité ni utilisation de températures et de pressions élevées susceptibles d'endommager les composants électroniques ultrafins.

Les capteurs s'améliorent également. Il s'agit de la partie qui interagit avec ce que vous essayez de mesurer. La plupart des capteurs commerciaux pour vêtements sont mécaniques (utilisés pour suivre l'activité physique) ou optiques (battements de cœur, oxymétrie de pouls). Mais des capteurs chimiques sont également en cours de développement pour mesurer les marqueurs internes du corps. Selon Joseph Wang, docteur en sciences et professeur de nano-ingénierie à l'université de Californie à San Diego, qui a publié des travaux de recherche sur les biocapteurs et les dispositifs portables, ces derniers sont essentiels pour obtenir une image complète de votre santé.

Par exemple, une augmentation du taux de lactate et une baisse de la pression artérielle peuvent signifier que vous souffrez d'un choc septique. La mesure des niveaux de potassium peut donner des informations sur les changements du rythme cardiaque. Et la combinaison des mesures de la pression artérielle et du glucose peut en dire plus sur la santé métabolique que l'une ou l'autre seule. "Si vous les combinez, vous obtenez de meilleures preuves", dit Wang.

C'est là que les nouvelles technologies peuvent devenir très sophistiquées. Les capteurs chimiques sont fabriqués à partir de certains des nanomatériaux les plus exotiques, notamment le graphène, les nanotubes de carbone et les nanoparticules d'or, explique Daniele. Certains (les capteurs de glucose en particulier) utilisent des enzymes qui se lient aux molécules cibles. D'autres utilisent des aptamères, de courts brins d'ADN ou d'ARN.

Les capteurs chimiques fonctionnent généralement avec des fluides corporels tels que la sueur, la salive, les larmes ou - comme c'est le cas pour les glucomètres en continu - le liquide interstitiel (le liquide situé entre les cellules de votre corps).

"La plupart des choses que vous voulez mesurer dans le sang, vous pourrez le faire dans le liquide interstitiel si vous disposez de la technologie des capteurs", explique Jason Heikenfeld, PhD, professeur d'ingénierie électrique à l'université de Cincinnati. Imaginez que l'on puisse faire un bilan sanguin complet simplement en mettant un patch sur la peau, sans avoir à prélever d'échantillon de sang.

M. Heikenfeld a également étudié la sueur, qui semble utile pour mesurer les niveaux d'hormones (comme celles qui régulent le stress, la sexualité et le sommeil) et le contrôle des médicaments sur ordonnance - c'est-à-dire le contrôle des niveaux d'un médicament dans l'organisme et la vitesse à laquelle il est métabolisé, dit-il.

Selon M. Heikenfeld, les capteurs de sueur pourraient également trouver leur place dans les tests à domicile. "S'il y avait un prix du public pour les fluides biologiques, la sueur gagnerait", dit-il. "Nous ne voulons pas de sang, nous ne voulons pas baver dans une tasse, nous ne voulons pas nous embêter avec un bâtonnet d'urine. Les larmes, oubliez-les. Le test serait un simple patch que l'on se colle sur le bras ; on recueille un peu de liquide, on le met dans une enveloppe et on l'envoie à un laboratoire."

Sources d'énergie portables : Au-delà des piles AA

Si vous voulez créer un appareil électronique extensible et flexible, il vous faut un moyen extensible, flexible et même lavable de l'alimenter. Selon M. Bao, la plupart des objets portables actuels, comme les montres intelligentes, sont alimentés par des piles très petites mais toujours rigides. D'où leur forme encombrante.

"Il y a certainement une forte demande pour des batteries à haute densité énergétique et véritablement flexibles", ajoute-t-elle.

Cette demande a incité des chercheurs du monde entier à mettre au point des batteries qui peuvent s'étirer et se plier. Pour ne citer que quelques exemples récents, des chercheurs canadiens ont mis au point une batterie flexible et lavable qui peut s'étirer jusqu'au double de sa longueur initiale et continuer à fonctionner. À Singapour, des scientifiques ont créé une pile au zinc biodégradable, fine comme du papier, que l'on peut plier, tordre et même couper avec des ciseaux - comme n'importe quelle feuille de papier - et qui fonctionne toujours. D'autres encore transforment les piles en longues bandes qui peuvent être utilisées dans des vêtements intelligents.

Selon M. Bao, l'alimentation sans fil est une autre option. La batterie n'a pas besoin d'être dans l'appareil : elle peut se trouver dans vos vêtements ou dans votre poche et continuer à alimenter les capteurs. Le laboratoire de M. Bao à Stanford a mis au point un vêtement ressemblant à un autocollant, appelé BodyNet, qui peut être rechargé à l'aide de l'identification par radiofréquence, la même technologie utilisée pour contrôler l'entrée sans clé dans les pièces fermées.

D'autres encore - comme Misra et ses collègues d'ASSIST - explorent des alternatives aux batteries, comme la récolte d'énergie, ou la conversion de la chaleur corporelle, de l'énergie solaire ou du mouvement en énergie.

Mme Misra travaille sur un générateur d'énergie capable de convertir la différence de température entre votre peau et la pièce en énergie pour alimenter un appareil. "La température de votre peau est, disons, de 98,6 degrés", explique-t-elle. "La température de votre chambre est probablement d'environ 70 degrés Fahrenheit. Et cette différence de température de 28 degrés peut passer par un dispositif appelé générateur thermoélectrique, qui peut convertir cette différence d'énergie en électricité."

Imaginez : Plus besoin de s'inquiéter de savoir si la batterie va mourir, si elle est mouillée ou si elle doit être rechargée. "Votre corps est la batterie", dit Misra.

L'avenir

Pour que les wearables atteignent vraiment leur plein potentiel, tous les éléments doivent devenir plus efficaces en termes de consommation d'énergie et s'assembler dans un ensemble flexible et extensible, explique M. Misra. Ils doivent également être conçus de manière à ce que des millions, voire des milliards de personnes, aient envie de les porter.

Tout aussi important : Les appareils destinés au monde médical doivent fournir des données de qualité supérieure. Si les données recueillies ne sont pas de qualité supérieure, à quoi servent-elles ? Et toutes ces données doivent être transformées en informations utiles. C'est là qu'interviennent l'analyse des données, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle. "Ce ne sont pas des problèmes insolubles", dit Misra, "mais ce sont des problèmes passionnants sur lesquels une grande partie de la communauté travaille."

Conclusion : Notre avenir en matière de wearables est en bonne voie.