Masa Depan Teknologi Wearable: Kulit Buatan untuk Pengujian Sensor yang Lebih Akurat

Dalam beberapa tahun terakhir, perangkat wearable telah menjadi bagian penting dalam dunia kesehatan modern. Mulai dari smartwatch, gelang kebugaran, hingga alat pemantau medis, teknologi ini membantu banyak orang dalam melacak detak jantung, tingkat stres, aktivitas otak, hingga parameter kesehatan lainnya secara real-time.

Namun, di balik kecanggihan perangkat wearable, ada satu komponen penting yang sering kali luput dari perhatian, yaitu elektroda. Elektroda adalah sensor yang bersentuhan langsung dengan kulit untuk menangkap sinyal listrik dari tubuh. Tanpa elektroda yang andal, perangkat wearable tidak akan mampu memberikan data akurat yang dibutuhkan dalam pemantauan kesehatan.

Tantangan Besar dalam Pengembangan Elektroda Wearable

Mungkin terdengar sederhana, tetapi membuat elektroda yang benar-benar efektif bukanlah tugas yang mudah. Salah satu tantangan terbesar adalah kerumitan kulit manusia itu sendiri.

Kulit bukan hanya sekadar pelindung tubuh, tetapi juga organ yang sangat dinamis dengan sifat-sifat unik yang dapat berubah-ubah, seperti:

• Kelembapan dan hidrasi – Kulit yang kering dan dehidrasi memiliki hambatan listrik lebih tinggi, sementara kulit yang lembap lebih mudah menghantarkan listrik.
• Usia – Seiring bertambahnya usia, ketebalan dan elastisitas kulit berubah, yang juga memengaruhi konduktivitas listriknya.
• Lingkungan dan cuaca – Perbedaan suhu dan kelembapan udara dapat mengubah kondisi kulit dan memengaruhi cara elektroda bekerja.

Selain itu, pengujian elektroda sering kali dilakukan langsung pada manusia, yang membawa banyak tantangan tambahan.

1. Hasil yang tidak selalu konsisten – Karena setiap orang memiliki jenis kulit yang berbeda, hasil uji cenderung bervariasi dan sulit untuk distandarisasi.
2. Waktu dan biaya yang besar – Melibatkan banyak relawan dalam pengujian memerlukan anggaran yang besar serta waktu yang lama.
3. Aspek etika dan keamanan – Melibatkan manusia dalam eksperimen harus memenuhi standar etika yang ketat, termasuk memastikan bahwa mereka memahami risiko dan manfaatnya serta dapat berpartisipasi secara sukarela.

Untuk mengatasi semua tantangan ini, para ilmuwan telah mencoba menciptakan model kulit buatan, tetapi model yang ada masih memiliki keterbatasan dalam meniru cara kulit manusia berinteraksi dengan elektroda.

Biomimetic Skin Phantom: Model Kulit Buatan yang Revolusioner

Sebagai solusi atas berbagai kendala di atas, tim kami mengembangkan sebuah alat inovatif yang disebut biomimetic skin phantom.

Apa itu skin phantom?

• “Biomimetic” berarti meniru sesuatu dari alam – dalam hal ini, kulit manusia.
• “Phantom” mengacu pada model fisik yang dibuat untuk meniru karakteristik sesuatu yang nyata, seperti jaringan manusia, agar bisa digunakan untuk penelitian.

Model ini dirancang untuk meniru perilaku listrik kulit manusia, sehingga memungkinkan pengujian elektroda dan sensor wearable dengan lebih mudah, murah, dan akurat.

Struktur dan Material Skin Phantom

Skin phantom yang kami kembangkan terdiri dari dua lapisan utama yang meniru karakteristik kulit manusia secara lebih mendetail:

1. Lapisan bawah – Berfungsi meniru jaringan dalam kulit, terbuat dari polyvinyl alcohol cryogel, yang memiliki sifat kelenturan dan konduktivitas listrik mirip dengan jaringan biologis asli.
2. Lapisan atas – Meniru lapisan stratum korneum, yaitu bagian kulit paling luar, dan dibuat dari PDMS (polydimethylsiloxane) yang telah dicampur dengan aditif khusus agar memiliki sifat listrik yang mirip dengan kulit manusia.

Material yang dipilih bukan tanpa alasan. Polyvinyl alcohol cryogel memiliki sifat elastis dan tahan lama, sementara PDMS fleksibel dan dapat dibentuk agar menyerupai permukaan kulit secara lebih akurat.

Keunggulan Unik: Meniru Hidrasi Kulit

Salah satu inovasi terbesar dalam skin phantom kami adalah kemampuannya untuk meniru berbagai tingkat hidrasi kulit, yang sangat memengaruhi kinerja elektroda wearable.

• Kulit kering memiliki hambatan listrik yang lebih tinggi, sehingga perangkat wearable sulit menangkap sinyal dengan baik.
• Kulit yang lembap lebih mudah menghantarkan listrik, menghasilkan sinyal yang lebih bersih dan jelas.

Untuk mereplikasi efek ini, kami menambahkan pori-pori buatan pada lapisan atas skin phantom. Dengan menyesuaikan ukuran dan kepadatan pori-pori, kami bisa mensimulasikan kondisi kulit kering atau terhidrasi dengan presisi tinggi.

Pengujian Skin Phantom: Seberapa Mirip dengan Kulit Asli?

Kami melakukan berbagai pengujian untuk memastikan bahwa skin phantom ini benar-benar bisa menggantikan kulit manusia dalam eksperimen.

1. Pengujian Impedansi Listrik

Kami menggunakan metode impedance spectroscopy, yaitu teknik yang mengukur bagaimana bahan bereaksi terhadap sinyal listrik dengan frekuensi yang berbeda.

Hasilnya?
Skin phantom kami menunjukkan kemiripan lebih dari 80% dengan kulit asli, dengan perbedaan kurang dari 20% dalam respons impedansi, baik dalam kondisi kulit kering maupun terhidrasi.

2. Pengujian Sinyal dari Perangkat Wearable

Kami juga menguji apakah perangkat wearable bisa menangkap sinyal dari skin phantom dengan baik. Untuk itu, kami merekam sinyal elektrokardiogram (EKG) pada model kulit yang meniru kondisi kulit kering dan lembap.

• Phantom kulit kering menghasilkan sinyal dengan rasio sinyal terhadap noise lebih rendah, seperti yang terjadi pada kulit manusia asli.
• Phantom kulit terhidrasi memberikan sinyal yang lebih jelas, sesuai dengan penelitian sebelumnya.

Dampak Besar bagi Teknologi Wearable di Masa Depan

Skin phantom ini bukan hanya alat uji biasa – ia bisa menjadi lompatan besar dalam pengembangan teknologi wearable.

• Lebih cepat dan efisien – Dengan menghilangkan ketidakpastian dari pengujian manusia, pengembangan perangkat wearable bisa berlangsung lebih cepat.
• Menurunkan biaya penelitian – Dengan harga kurang dari US$3 per unit, skin phantom menjadi solusi hemat biaya untuk pengujian laboratorium.
• Ramah lingkungan dan dapat digunakan kembali – Model ini bisa digunakan berulang kali dalam satu hari tanpa perubahan sifat listriknya, meskipun setelah beberapa hari mungkin perlu rehidrasi untuk menjaga performanya.

Seiring dengan semakin populernya teknologi wearable dalam dunia medis, alat seperti biomimetic skin phantom dapat membantu menciptakan perangkat yang lebih andal, akurat, dan dapat disesuaikan dengan kebutuhan setiap individu.

Dengan pendekatan inovatif ini, masa depan teknologi kesehatan berbasis wearable akan semakin cerah dan menjangkau lebih banyak orang dengan solusi yang lebih canggih dan efektif.

Sumber :

Krittika Goyal – Assistant Professor of Manufacturing and Mechanical Engineering Technology, Rochester Institute of Technology

Photo By: Kaboompics.com