A maioria das pessoas ainda acredita que a eletrónica flexível e adaptável (SCE, na sigla em inglês) são curiosidades académicas sem um mercado específico. Esta crença parece basear-se em estudos ocasionais de prova de conceito publicados, que se apoiam nos resultados daqueles raros dispositivos que realmente funcionam. Mesmo quando as empresas exibem protótipos, é fácil descartá-los como meros exercícios de marketing destinados a fazer com que os seus inventores pareçam líderes em I&D.
No entanto, a indústria do SCE é muito mais complexa do que aparenta. Na IDTechEx (a empresa de estudos de mercado que utilizamos), temos vindo a investigar esta fronteira tecnológica há vários anos. Neste artigo, descreveremos como muitos dos aspetos mais simples e menos glamorosos da SCE já foram comercializados ou estão prestes a ser comercializados. E discutiremos duas grandes tendências que sustentam o interesse nos SCE: (1) dispositivos wearable que são verdadeiramente wearable e (2) componentes eletrónicos estruturais. Além disso, argumentaremos que considerar a SCE como uma entidade única é totalmente enganador. SCE é um termo abrangente que engloba muitas tecnologias e aplicações diferentes. É apropriado considerar a SCE como uma coleção de aplicações e soluções de nicho distintas.

A tecnologia wearable está realmente a tornar-se vestível.
O interesse por esta tecnologia cresceu exponencialmente a partir do final de 2013. Isto foi acompanhado pelo aparecimento de várias novas categorias de produtos que ajudaram a definir a nova tecnologia wearable em contraste com a antiga (relógios de bolso e de pulso, que datam de há séculos). Estas novas categorias incluem smartwatches conectados, óculos inteligentes, óculos de realidade virtual e aumentada, e muito mais.
Cada uma destas categorias é muito diferente em termos de tecnologia subjacente, nível de prontidão, mercados-alvo e potencial de lucros atual e futuro. De facto, numa recente previsão de mercado, a nossa equipa acompanhou 42 categorias diferentes de dispositivos wearable, com um crescimento geral de uma base atual de cerca de 35 mil milhões de dólares para mais de 155 mil milhões de dólares até 2027.
Frequentemente, existe pouca unificação entre estas tecnologias díspares. Aliás, existe a possibilidade real de que os diferentes destinos destas categorias tornem o termo abrangente "tecnologia vestível" irrelevante num futuro não muito distante.
Apesar desta divergência iminente, uma tendência comum em quase todos os dispositivos é a mudança de formato. Se analisarmos o panorama actual dos produtos, logo descobriremos que se trata simplesmente de componentes antigos e rígidos montados numa nova "caixa" que pode ser utilizada em alguma parte do corpo. Quase todos estes componentes são emprestados de setores já consolidados, como a eletrónica de consumo, a medicina ou a automóvel. Há relativamente pouca inovação em hardware para criar dispositivos verdadeiramente vestíveis.
Isso está a mudar. Como mostra a Figura 1, as empresas, grandes e pequenas, estão a começar a produzir dispositivos wearable que realmente funcionam. Frequentemente, trata-se de produtos de exploração em fase inicial, desenvolvidos para testar o mercado e que ainda não estão maduros, testados e finalizados.
 
Figura 1: Os dispositivos wearables estão a começar a migrar de componentes rígidos em caixas para dispositivos verdadeiramente wearable. Até agora, quase todo este mercado era composto por sensores existentes emprestados de outros setores. No entanto, estamos agora a ver novos sensores desenvolvidos com a usabilidade em mente.

Eletrónica Flexível para Tecnologia Vestível:
O trabalho para criar dispositivos verdadeiramente vestíveis abrange todos os componentes de sistema necessários. Estão a ser feitos avanços em baterias, transístores/memórias, displays, sensores, PCBs e interligações (ligações flexíveis) extensíveis e/ou adaptáveis. No entanto, a maioria dos componentes de eletrónica flexível ainda se encontra numa fase inicial de desenvolvimento tecnológico. Portanto, aqui, focamo-nos nas interligações e nos sensores extensíveis como dois exemplos de eletrónica flexível que já estão comercialmente disponíveis ou prestes a ser comercializados.
As interligações podem parecer elementos simples, mas são cruciais para viabilizar aplicações têxteis verdadeiramente vestíveis. Atualmente, existem diversas abordagens para a criação de interligações têxteis, incluindo fios metálicos finos e fibras/fios revestidos a metal. As tintas condutoras extensíveis estão também a surgir como uma forte candidata para esta função. Isto porque a tecnologia de tinta condutora é altamente adaptável, permitindo o desenvolvimento de produtos personalizados para satisfazer diferentes requisitos de preço e desempenho (condutividade, extensibilidade, etc.). Isto é crucial nesta fase exploratória do mercado, quando as necessidades dos clientes não são totalmente conhecidas e podem ser muito divergentes.

As tintas apresentam uma vantagem adicional, pois são uma etapa de pós-produção que pode ser aplicada universalmente após o fabrico de um material têxtil utilizando processos existentes e sem modificações. De facto, a tecnologia das tintas tem o potencial de aproveitar a infraestrutura e o conhecimento já existentes para a serigrafia em tecidos.
Como mostra a Figura 2, já existem muitos protótipos de têxteis eletrónicos (e-têxteis) e produtos que utilizam tintas condutoras flexíveis e/ou elásticas. Estes exemplos variam desde monitores de ritmo cardíaco para humanos e animais (por exemplo, cavalos), sensores de pressão no calçado, interligações e muito mais. No geral, as nossas estatísticas, apresentadas na Figura 2, demonstram que o interesse pelas tintas extensíveis está em ascensão. O número de produtos/projetos de e-têxteis baseados em tintas aumentou significativamente ano após ano.
 
Figura 2: À esquerda, os protótipos e produtos de e-têxteis baseados em tinta. (As informações entre parênteses indicam onde/quando os analistas da IDTechEx tiraram as fotografias.) À direita, estão as estatísticas que mostram que a popularidade das soluções à base de tinta está a aumentar nos têxteis eletrónicos. Fonte: IDTechEx.

Apesar do interesse, as tintas elásticas ainda não são um produto final. Existe um espaço significativo para melhorias contínuas e personalização. Na abordagem atual, a camada impressa é intercalada entre um substrato plástico e uma camada de encapsulamento, sendo posteriormente laminada sobre o tecido. Esta não é uma solução elegante, pois requer duas camadas adicionais. O substrato é essencialmente utilizado para criar uma superfície comum num setor onde existem inúmeros tecidos, cada um com características de superfície muito diferentes. Os materiais de encapsulamento comuns também não são perfeitos, pois não são muito respiráveis ​​ou podem até ser desconfortáveis. O desempenho das tintas elásticas também pode ser melhorado, embora a última geração seja melhor a suprimir as alterações de resistividade com o alongamento e a suportar condições de lavagem, em comparação com as versões anteriores. Tudo isto sugere uma oportunidade para inovações em materiais e formulações melhoradas, permitindo o desenvolvimento de tintas mais elásticas que possam ser aplicadas diretamente em diversos tecidos com forte adesão.

Até à data, esta tendência tem sido impulsionada pelos fornecedores de materiais/tintas, e nem todas as empresas estão a ter sucesso comercial. De facto, ainda estamos numa fase inicial, e a cadeia de valor para os têxteis electrónicos ainda está a formar-se, com a participação activa de fabricantes têxteis tradicionais, grandes fabricantes terceiros e proprietários de grandes marcas.
Muitos exemplos de sensores têxteis extensíveis (SCE) já foram comercializados ou estão próximos da comercialização. Por exemplo, os sensores piezoresistivos já são utilizados comercialmente para medir a distribuição de pressão em topografias irregulares. Um caso de utilização envolve a medição da topografia dos dentes de um paciente. O paciente morde o sensor piezoresistivo e, ao fazê-lo, altera a espessura do sensor e, por conseguinte, a sua resistividade, em vários pontos, permitindo a leitura. Em tais aplicações, o grau de estiramento é geralmente baixo, enquanto que uma excelente adaptabilidade à superfície é essencial.
Muitos outros tipos de sensores extensíveis estão também em desenvolvimento. Um exemplo envolve sensores de deformação extensíveis que medem grandes deslocamentos (>100%), muito além das capacidades dos extensómetros standard. A arquitetura do dispositivo pode ser relativamente simples; Por exemplo, um polímero dielétrico pode ser intercalado entre dois elétrodos impressos para criar um sensor de deformação capacitivo. Estes sensores estão a ser comercializados agressivamente por diversos fornecedores em todo o mundo. O campo de aplicação alvo é potencialmente muito amplo, abrangendo têxteis eletrónicos, robótica, maquinaria industrial e muito mais.
Embora possa parecer haver um súbito aumento de interesse comercial e progresso na SCE (Sensibilidade de Deformação por Elétrodo), estas tecnologias não se tornam maravilhas de um dia para o outro. Por exemplo, considere os sensores de deformação extensíveis simples baseados em dielétricos. Foram desenvolvidos exemplos funcionais, mas as empresas têm tentado comercializá-los há mais de 13 anos. Durante este período, a propriedade intelectual e os direitos de comercialização desta tecnologia mudaram de mãos pelo menos três vezes, e foram testados inúmeros mercados potenciais, gerando uma vasta experiência comercial.

A eletrónica estrutural é um futuro possível para os dispositivos eletrónicos.
Representa uma megatendência que transformará os componentes eletrónicos tradicionais em eletrónicos verdadeiramente invisíveis, integrados na própria estrutura. Esta é uma importante inovação a longo prazo que levará a uma mudança fundamental na indústria eletrónica, incluindo a sua cadeia de valor, materiais e componentes (Figura 3). A eletrónica flexível e adaptável está a moldar essa megatendência. Na verdade, ela viabiliza-a.
Figura 3: A eletrónica estrutural representa uma tendência que fará com que a funcionalidade eletrónica faça parte da própria estrutura.

Numa das aplicações da eletrónica estrutural (SCE), os elétrodos/antenas são depositados na superfície de objetos com um formato tridimensional, eliminando a necessidade de uma placa de circuito impresso separada. Aqui, tal como nos sensores piezoresistivos, a extensibilidade é importante sob a forma de uma superfície tridimensional preparada, em vez da elasticidade ou capacidade de alta tensão. Noutra aplicação, a eletrónica em molde (IME) auxilia na incorporação estrutural de funcionalidades eletrónicas em objetos tridimensionais fabricados através de processos de alto desempenho, como a termoformagem.
Na IME, os materiais eletrónicos, juntamente com as tintas gráficas, são depositados (impressos ou revestidos) numa folha plana antes de serem termoformados num formato tridimensional. Isto faz com que os materiais sofram um grande estiramento único. Se forem utilizados materiais padrão, este estiramento causará fissuras e falhas nas camadas. Por conseguinte, os materiais utilizados devem ser especialmente fabricados ou formulados para serem compatíveis com a IME.
Isto representa uma oportunidade para os fornecedores de materiais. O primeiro material a satisfazer esta necessidade foi a tinta condutora, em parte devido à sua adaptabilidade tecnológica em termos de formulações personalizadas. Esta flexibilidade contribuiu para a sua compatibilidade com o IME. De facto, tal como aconteceu com o desenvolvimento das tintas condutoras extensíveis comerciais, o material compatível com IME está a sofrer um processo de expansão singular. Há cerca de dois anos, existiam apenas dois ou três fornecedores, mas agora muitos fornecedores de tinta demonstraram essa capacidade ou lançaram os seus produtos comercialmente, frequentemente com estratégias de preços agressivas.
O leque de materiais não se limita, obviamente, às tintas condutoras. Outro componente importante que está a tornar-se compatível com o IME são os filmes condutores transparentes (TCFs), que constituem a base da tecnologia de deteção de toque capacitivo. Estas tecnologias de TCF extensíveis, incluindo as baseadas em nanotubos de carbono (ou nanobuds), nanofios de prata e PEDOTs, podem viabilizar superfícies de toque com formato 3D criadas através de processos de moldagem.

Como se pode observar na Figura 4, já existem inúmeros protótipos de IME destinados a eletrodomésticos de grande volume, linha branca e aplicações automóveis. Muitos destes protótipos estão na fase final de qualificação. Curiosamente, o IME teve um início em falso, uma vez que foi adotada uma consola de tejadilho IME num automóvel antes de uma falha (atribuída à simplificação do processo de prototipagem para a produção em massa) levar a um recall do produto. Esta história serve de alerta, reforçando o facto de que a SCE não surge de um dia para o outro e, na verdade, está em desenvolvimento há anos. Note que, apesar deste recall, o compromisso manteve-se forte e esperamos lançamentos de produtos comerciais em breve.
 Figura 4: Existem muitos exemplos de protótipos de IME destinados a aplicações em eletrodomésticos de alta qualidade, como interfaces máquina-a-máquina para máquinas de lavar roupa, bem como aplicações automóveis, como consolas de controlo de sobrecarga ou aquecimento. O quadro da direita contém exemplos de vários filmes condutores transparentes termoformados.

Fontes: No sentido dos ponteiros do relógio, a partir do canto superior esquerdo: Fujifilm (IDTechEx Show! EUA 2016), Negate (Nepcon Japão 2017), Heraeus (IDTechEx Show! EUA 2016), Aga (FineTech 2014), Canatu. (As informações entre parênteses indicam onde/quando os analistas da IDTechEx tiraram a fotografia.).

Um Caminho Lento e Económico para a Inovação:
Haverá muito mais inovação nos componentes eletrónicos flexíveis (SCE) nos próximos anos, uma vez que todos os componentes eletrónicos, em diferentes graus, estão a tornar-se flexíveis e ajustáveis. Como descrito acima, a maioria ainda está longe da comercialização. Isto deve-se em parte à imaturidade tecnológica, mas também porque os componentes SCE são frequentemente muito diferentes dos seus equivalentes rígidos em termos de desempenho e aplicação. Consequentemente, não podem ser simplesmente considerados uma substituição de próxima geração para componentes/materiais existentes.

Na verdade, os componentes de SCE necessitam de encontrar e criar novos mercados e novas categorias de produtos. Isto exige uma exploração extensa e demorada de muitos nichos de mercado. Atualmente, observamos que vários componentes de SCE estão exatamente nesta fase: o mercado está a experimentar muitas ideias de aplicação divergentes. Esta fase terminará inevitavelmente quando os produtos afetados forem encontrados, levando a indústria a consolidar-se em torno dos mesmos. Este período de convergência irá manter-se até que a concorrência erode as margens, obrigando os participantes a procurar novos mercados e desencadeando a próxima fase de divergência.

A grande diversidade, tanto em termos de tecnologias como de aplicações alvo, oferecerá, em última análise, uma oportunidade significativa para o mercado da eletrónica flexível e adaptável (SCE). Embora nem todas as candidaturas sejam bem-sucedidas, seria irrazoável presumir que todas elas fracassarão. Na nossa previsão, estimamos um mercado de 600 milhões de dólares para a SCE até 2027. Para mais informações, consulte o nosso relatório "Flexible and Adaptable Electronics 2017-2027", disponível em www.idtechex.com/stretchable
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