Perkembangan Elektronik Fleksibel dan Dapat Dikenakan untuk Pemantauan Kesehatan Manusia Berkelanjutan
Abstrak
Elektronik dapat dikenakan telah muncul sebagai teknologi penting dalam perawatan kesehatan, menawarkan pemantauan non-invasif dan real-time parameter fisiologis vital. Dengan memanfaatkan substrat lunak yang sesuai kulit, perangkat ini menangkap data seperti nadi, suhu, dan kadar glukosa, memungkinkan manajemen kesehatan yang proaktif. Tinjauan ini menyelidiki jenis sensor yang paling banyak digunakan—gaya, suhu, biokimia, dan multifungsi—mendetailkan prinsip operasinya, inovasi struktural, dan terobosan terbaru. Kami juga membahas modul fungsional kritis, termasuk sumber daya sendiri dan unit pemrosesan sinyal, yang meningkatkan praktikalitas. Akhirnya, kami menguraikan tantangan yang tersisa dan arah penelitian yang akan mendorong pemantauan kesehatan dapat dikenakan menuju adopsi mainstream.
Pendahuluan
Sejak advent semiconductor berbasis silikon pada tahun 1950-an, industri elektronik telah diubah oleh inovasi berkelanjutan. Namun, kekakalan perangkat silikon konvensional membatasi integrasinya ke dalam format dapat dikenakan dan fleksibel yang diperlukan untuk perawatan kesehatan pribadi. Elektronik fleksibel dan dapat dikenakan—dibuat dari bahan elastomer, tekstil, atau kompatibel biologis—menawarkan kesesuaian yang tak tertandingi, bobot rendah, dan daya tahan, menjadikannya ideal untuk pemantauan fisiologis berkelanjutan.
Secara bertambah, perangkat ini menyediakan data real-time tentang detak jantung, pernapasan, suhu, dan marka biokimia, memungkinkan peringatan tepat waktu bagi klinisi dan pengguna. Serbaguna mereka meluas ke aplikasi seperti kulit elektronik, penggerakan gerak, dan telemedisin, memosisikannya sebagai sumbu perawatan kesehatan generasi mendatang.
Kemajuan terbaru dalam bahan, teknik pembuatan, dan mekanisme penginderaan telah mendorong peningkatan kinerja di seluruh kategori sensor. Gambar 1 mengilustrasikan evolusi sensor dapat dikenakan untuk pemantauan kesehatan dan merangkum strategi desain utama yang dijelajahi dalam tinjauan ini.
Ringkasan visual perkembangan terbaru elektronik dapat dikenakan untuk memantau informasi kesehatan manusia
Sensor Gaya Fleksibel
Sensor gaya menerjemahkan stimulan mekanis—tegangan, tekanan, regangan—ke dalam sinyal listrik. Sensor gaya logam atau semiconductor konvensional besar dan kaku, membatasi penggunaannya dalam dapat dikenakan. Sebaliknya, substrat elastomer (misalnya, PDMS, PU, SEBS) menghasilkan sensor yang fleksibel, transparan, dan dapat meregang yang dapat diintegrasikan secara mulus ke dalam pakaian atau langsung pada kulit.
Sensor ini dikategorikan menjadi tipe resistif, kapasitif, dan piezoelektrik, masing-masing dengan keuntungan yang berbeda.
Sensor Gaya Resistif
Sensor resistif mendeteksi perubahan dalam resistensi listrik yang disebabkan oleh deformasi. Material aktif sering menggabungkan pengisi konduktif—grafen, nanowhitubus karbon, nanowires logam, atau polimer konduktif—dalam matriks elastomer. Variasi resistensi timbul dari perubahan geometri, pemisahan pengisi, atau perpindahan kontak antarmuka. Desain piezoresistif dihargai karena konsumsi daya rendah dan pembuatan yang sederhana.
Substrat elastomer mikrostruktur, seperti array mikropiramida, secara dramatis meningkatkan sensitivitas dengan memperkuat deformasi pada jaringan konduktif. Sebagai contoh, Choong et al. menunjukkan array mikropiramida PDMS yang mencapai peningkatan sensitivitas tekanan sepuluh kali lipat. Namun, pembuatan cetakan tradisional mahal, yang mendorong metode templating biaya rendah alternatif seperti sutra atau daun alami.
Penyisipan jaringan konduktif porous—dibentuk dengan menyisipkan mikrokapsul atau jaring karbon—menciptakan jaringan 3D yang lebih mudah beregang di bawah beban, yang lebih meningkatkan sensitivitas dan kecepatan respons. Wang et al. memanfaatkan mikrokapsul polen bunga matahari untuk membuat komposit bola rongga yang menunjukkan deteksi regangan dan tekanan yang unggul pada jari atau tenggorokan manusia.
Sensor Gaya Kapasitif
Sensor kapasitif mengukur perubahan kapasitansi karena variasi ketebalan dielektrik atau area elektroda. Menggunakan lapisan dielektrik fleksibel (PDMS, SEBS) dan elektroda konduktif (CNT, nanowires Ag), perangkat ini menawarkan sensitivitas tinggi dan batas deteksi rendah. Mikrostruktur lapisan dielektrik atau elektroda lebih meningkatkan performa dengan meningkatkan kompresibilitas dan memperkenalkan ruang udara yang dapat dikontrol yang memodulasi permitivitas di bawah beban.
Integrasi transistor efek lapangan organik (OFET) dengan dielektrik mikrostruktur menghasilkan sensitivitas ultra-tinggi (8,4 kPa⁻¹) dan respons cepat (<10 ms), ideal untuk deteksi gelombang nadi. Meskipun keuntungannya, sensor kapasitif dapat menderi non-linearitas dan kapasitansi parasit, yang membutuhkan desain rangkaian yang hati-hati.
Sensor Gaya Piezoelektrik
Sensor piezoelektrik mengubah deformasi mekanis menjadi tegangan. Material seperti P(VDF-TrFE), nanowires ZnO, dan nanostruktur PZT sering digunakan. P(VDF-TrFE) menawarkan fleksibilitas yang baik dan koefisien piezoelektrik yang besar, yang memungkinkan deteksi tekanan yang sangat kecil (≈0,1 Pa) dalam aplikasi seperti sentuhan robotik.
Sementara sensor piezoelektrik unggul dalam menangkap peristiwa dinamis, mereka tidak dapat mendeteksi tekanan statis karena kurangnya output tegangan berkelanjutan. Desain hibrid—misalnya, heterostruktur PTNWs/grafren—mengubah perubahan polarisasi yang diinduksi oleh regangan menjadi variasi mobilitas pembawa, yang memungkinkan pengukuran tekanan statis dengan sensitivitas yang ditingkatkan.
a Proses pembuatan array mikropiramida PDMS. b Prinsip penginderaan di bawah gaya eksternal. c Perbandingan sensitivitas. d Respons tekanan linier. Adapted from ref. 10.
a Mekanisme bola rongga. b Perbandingan respons transien. c Waktu relaksasi. d Uji stabilitas. e SEM kertas karbon. f Pemantauan napas. g Pemantauan gerak tangan. Adapted from ref. 63.
Sensor Suhu Fleksibel
Pemantauan suhu kulit yang akurat sangat penting untuk deteksi dini demam, anemia, atau kondisi sistemik lainnya. Sensor suhu fleksibel terbagi menjadi tipe resistif, piroelektrik, dan termistor.
Sensor Suhu Resistif
Sensor ini bergantung pada koefisien suhu resistensi (TCR) dari komposit logam atau berbasis karbon. Strategi untuk mengatasi keterbatasan meregang meliputi film bergelombang, struktur horseshoe, dan desain pulau kaku, yang mencapai toleransi regangan hingga 30% dengan kehilangan performa minimal. Komposit PEDOT:PSS–CNT dan termistor berbasis grafen menawarkan TCR yang lebih tinggi (0,25–0,63 %/°C) dan meregang intrinsik, meskipun perubahan resistensi yang diinduksi oleh regangan masih menjadi tantangan.
Desain rangkaian diferensial canggih, seperti yang menggunakan transistor SWCNT, menekan geser tegangan ambang yang diinduksi oleh regangan, memungkinkan pembacaan suhu yang akurat hingga 50% regangan. Perangkat berbasis gate berdasarkan komposit R-GO/PU telah menunjukkan sensitivitas yang unggul (1,34 %/°C) dibandingkan dengan sejenis resistif.
Sensor Suhu Piroelektrik
Material piroelektrik (PZT, LiTaO₃, PVDF-TrFE) menghasilkan muatan permukaan sebagai respons terhadap perubahan suhu. OFET piroelektrik fleksibel, yang menggabungkan P(VDF-TrFE) dengan nanopartikel BaTiO₃, dapat membedakan efek suhu dari regangan mekanis, memungkinkan penginderaan yang andal di bawah kondisi deformasi kompleks.
a PDMS terstruktur vs. tidak terstruktur. b Perbandingan respons. c Pengujian sensitivitas. d Sensitivitas tekanan rendah. e Respons di bawah 1 Pa. Adapted from ref. 18.
a Struktur mikrobulu. b SEM array mikrobulu. c–f Hasil tes arteria radial. Adapted from ref. 54.
Sensor Biokimia Fisiologis Fleksibel
Pemantauan non-invasif marka biokimia—glukosa, elektrolit, laktat—telah menjadi可能 dengan platform elektrokimia fleksibel. Sensor ini mengeksploitasi reaksi kimia antara analit dan lapisan pengenalan, mengubahnya menjadi perubahan listrik yang dapat diukur.
Chen et al. memperkenalkan biosensor tingkat kulit yang menggunakan saluran twin elektrokimia subkulit (ETCs) untuk menarik darah glukosa ke permukaan kulit, di mana terdeteksi oleh glukosa oksidase yang diimobilkan. Pembacaan sensor ini cocok dengan glukometer konvensional selama pengujian beberapa hari.
Untuk analis keringat, Gao et al. membuat patch multifungsi yang menggabungkan mikro-elektroda terpisah untuk Na⁺, K⁺, glukosa, dan laktat. Papan sirkuit cetak fleksibel memproses dan mentransmisikan data secara nirkabel, memungkinkan penilaian real-time status hidrasi dan metabolik.
a Skematis ETC. b Biosensor pada kulit. c–d Perbandingan pemantauan glukosa. e–f Sistem sensor keringat. g–h Hasil analisis keringat. Adapted from refs. 48, 54.
Sensor Multifungsi
Menggabungkan sensor regangan, tekanan, suhu, kelembaban, dan gas ke dalam satu platform e-laminasi memungkinkan pemantauan fisiologis yang komprehensif. Harada et al. menunjukkan array taktil triaksial dan sensor suhu pada satu cetakan, sementara Ho et al. mengintegrasikan sensor kelembaban, termal, dan regangan kapasitif berbasis grafen ke dalam matriks 3 × 3.
Arsitektur berlapis ini mempertahankan spesifisitas sensor individual sambil meminimalkan silang, sebuah persyaratan kritis untuk aplikasi dunia nyata di mana banyak stimulan terjadi secara bersamaan.
a Arsitektur sensor berlapis. b Citra array 3 × 3. c Hasil tes sidik jari. d–e Skematis e-kulit dan rangkaian. f–h Performa sensor kelembaban, suhu, dan tekanan. Adapted from ref. 55.
Modul Fungsional Elektronik Dapat Dikenakan
Untuk sistem dapat dikenakan yang benar-benar otonom, generasi daya dan penanganan data harus diintegrasikan ke dalam perangkat. Nanogenerator—berdasarkan efek triboelektrik, piezoelektrik, dan piroelektrik—panen energi mekanis atau termal dari tubuh untuk menyensor atau elektronik daya rendah.
Zi et al. menyajikan sel hibrid tribo-pyro-piezo yang secara bersamaan memanen gerakan geser dan panas geser, memberikan tegangan yang cukup untuk menyala LED dan untuk merasakan perubahan suhu atau regangan yang halus. Studi paralel telah mencapai meregang tinggi (hingga 1160% regangan) dan transparansi (>90%) dalam generator triboelektrik lunak, memungkinkan integrasi yang mulus dengan kulit atau pakaian.
Pemrosesan sinyal masih menjadi hambatan; sebagian besar sistem saat ini memadukan sensor fleksibel dengan elektronik silikon kaku. Papan sirkuit cetak fleksibel (FPCB) dan IC yang intrinsik dapat meregang mulai menembus kesenjangan ini, tetapi tantangan dalam integrasi sistem penuh—terutama dalam manajemen daya, transmisi data real-time, dan bentuk—tetap ada.
a–d Struktur sel hibrid. e Integrasi rangkaian. f Penerangan LED. g–h Skematis pemantauan suhu. i–j Pengaturan pengukuran dan aplikasi gaya. Adapted from ref. 56.
Kesimpulan dan Pandangan ke Depan
Elektronik fleksibel dan dapat dikenakan telah matang menjadi alat yang kuat untuk pemantauan kesehatan berkelanjutan, berkat kemajuan dalam sensitivitas, daya tahan, dan integrasi sensor. Namun beberapa hambatan masih ada: diskriminasi sumber yang akurat dari sinyal mekanis, meregang tinggi bersama sensing suhu yang imun terhadap regangan, akurasi biokimia yang ditingkatkan, multifungsi yang bebas silang, dan pemrosesan data otonom penuh di lokasi.
Sensor gaya harus dengan andal memecahkan nadi, otot, dan gaya kontak secara sensitif arah.
Sensor suhu harus menggabungkan meregang tinggi, sensitivitas, dan pemisahan regangan.
Sensor biokimia memerlukan akurasi yang ditingkatkan dan akses yang lebih dalam ke fluida internal, mungkin melalui antarmuka implan atau minimally invasif.
Platform multifungsi harus mendeteksi berbagai stimulan tanpa interferensi, yang memerlukan bahan dan arsitektur baru.
Integrasi ujung-ke-ujung dari daya, kondisi sinyal, dan transmisi nirkabel esensial untuk penerapan praktis.
