Un cerotto è l’ultimo progresso, per ora in fase di test su individui sani, dei bioingegneri dell’UCLA per aiutare le persone con disturbi nella capacità vocale dalla nascita o in seguito ad interventi chirurgici per cancro alla laringe.
La bioelettronica è un’area multidisciplinare che integra la biologia e l’elettronica, diffusasi soprattutto in applicazioni per risolvere problemi nel campo della salute.
Un team d’ingegneri dell’Università della California ha creato un dispositivo morbido, sottile e flessibile che può essere attaccato esternamente sulla pelle, nella zona della gola, per ritrovare la funzione vocale in chi soffre di disturbi nella fonazione con alterazioni qualitative o quantitative, temporanee o durature.
Il cerotto rileva il movimento nei muscoli della laringe di una persona e traduce tali segnali in voce con l’assistenza dell’apprendimento automatizzato che arriva ad una precisione pari al 94,68%.
Il sistema bioelettrico è stato sviluppato da Jun Chen, un assistente professore presso la Samueli School of Engineering e dai suoi colleghi, già responsabili dell’invenzione di un guanto indossabile per tradurre, in tempo reale, la lingua dei segni americana (ASL) in inglese parlato.
Il nuovo minuscolo dispositivo è formato da due parti. Il primo componente di rilevamento auto-alimentato ricava e converte i segnali generati dai movimenti muscolari in segnali elettrici, ad alta fedeltà, traducibili in segnali vocali utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico. Il secondo è un elemento di attuazione che trasforma i segnali nell’espressione vocale desiderata.
Le due sezioni sono composte entrambe da uno strato siliconico biocompatibile polidimetilsilossano, PDMS, con proprietà elastiche e da uno strato per l’induzione magnetica in rame. Tra i due componenti è inserito un quinto strato contenente PDMS mescolato con micromagneti per generare un campo magnetico.
Il ruolo fondamentale è svolto dal meccanismo di rilevamento dei cambiamenti nel campo magnetico quando viene alterato da forze meccaniche, in questo caso il movimento dei muscoli laringei. L’effetto magnetoelastico è stato sviluppato dal team di Chen nel 2021 in un sistema morbido e flessibile, non solo rigido.
Ogni lato del dispositivo misura 1,2 pollici (3 centimetri) per un peso di circa 7 grammi ed uno spessore di soli 0,06 pollici (0,1524 cm). Grazie al nastro adesivo biocompatibile aderisce facilmente alla gola vicino alla posizione delle corde vocali e può essere riutilizzato.
I ricercatori hanno impiegato magneti microscopici dispersi in una matrice di silicone sottilissima per dare origine ad un campo magnetico che cambia d’intensità man mano che la matrice pulsa, producendo elettricità.
La tecnologia è stata testata su otto adulti sani, raccogliendo dati sul movimento dei muscoli laringei, mentre un algoritmo di Intelligenza Artificiale correla i segnali risultanti a determinate parole da selezionare in uscita, sfruttando l’attuatore.
In futuro, il gruppo di ricerca prevede di ampliare il vocabolario del dispositivo attraverso l’apprendimento automatico e di testarlo su persone con disturbi nella fonazione.
Gli esperimenti del 2021 hanno dimostrato che la matrice polimerica siliconica catalizzata da platino e nanomagneti al neodimio-ferro-boro riusciva a generare correnti elettriche di 4,27 milliampere per centimetro quadrato, ovvero 10.000 volte superiore rispetto alla migliore tecnologia paragonabile. Un risultato che convalida una tale sensibilità da poter convertire le onde del polso umano in segnali elettrici ed agire come un cardiofrequenzimetro impermeabile ed autoalimentato.
Jun Chen ha sottolineato il vantaggio che la funzionalità non sia compromessa dall’umidità del sudore dato che è attivata dal magnetismo.
Il ricercatore è diventato uno dei più citati al mondo avendo creato un mini-apparecchio non invasivo per assistere i pazienti nella comunicazione, un problema che colpisce quasi il 30% della popolazione mondiale.
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Immagini/Infografica: UCLA
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