Чешуйчатый сенсор
Некоторые функции организма человека сопровождаются механическими деформациями кожи – от сокращения мышц и движения в суставах до биения пульса на запястье. Эти изменения могут быть обнаружены и отслежены путем измерения конфигурации поверхности кожи в различных участках тела.
В настоящее время активно разрабатываются различные портативные датчики, оценивающие натяжение кожи для мониторинга здоровья. Некоторые из этих датчиков могут обнаруживать механическое натяжение высокого уровня (40-100%), например, связанное с движениями пальцев и суставов конечностей, другие обнаруживают натяжение среднего уровня (10-40%), сопровождающее глотание и движения лица, а третьи чувствительны к низкоуровневым движениям (менее 10%), например, биению пульса или вибрации от голосовых связок.
Благодаря высокому уровню проводимости и стабильности наиболее предпочтительным материалом для датчиков натяжения является поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). Ранее были разработаны очень чувствительные тензодатчики PEDOT:PSS, которые могут обнаруживать деформацию от очень слабых движений (<1%), но плохая растяжимость PEDOT:PSS приводит к недостаточной производительности и функциональности при использовании для измерения средних и больших деформаций (>20%). Попытки решить эту проблему путем добавления эластичных полимеров или эластомеров привели к увеличению растяжимости, но снизили чувствительность при обнаружении небольших деформаций.
Исследовательская группа из Института биомедицинских инноваций Терасаки разработала портативное устройство, способное эффективно обнаруживать деформации кожи в широком диапазоне. Чтобы максимально увеличить растяжимость этого датчика, исследователи черпали вдохновение из природы. Змеи известны своей способностью растягиваться во много раз по сравнению с их нормальным размером тела при поглощении добычи. Змеиная кожа покрыта перекрывающимися чешуйками; при приложении механической силы эти чешуйки скользят и смещаются относительно друг друга, придавая коже исключительную эластичность.
Исследователи использовали эту концепцию дизайна при изготовлении нового датчика. Тонкий слой PEDOT:PSS был нанесен на эластомерную ленту. Затем этот слой был растянут до экспериментально оптимизированного уровня деформации 50%. Этот процесс привел к появлению трещин и распаду слоя PEDOT:PSS на небольшие фрагменты с открытыми участками между ними. На полученные открытые участки был нанесен второй слой PEDOT:PSS, который потом дополнительно растянули до 100% уровня деформации, что привело к фрагментации и появлению новых островков PEDOT:PSS, которые естественным образом выровнялись с таковыми первого слоя. При прекращении действия силы растяжения датчик приобрел структуру перекрывающихся фрагментов, которые имитировали змеиные чешуйки. Новая конструкция позволила сенсору измерять широкий диапазон деформаций с высокой степенью чувствительности.
Бислой PEDOT:PSS покрыли гидрогелем – этот слой будет контактировать с кожей, обеспечивая биосовместимость и комфорт. К датчику были добавлены медные провода и эластомерное уплотнение, а затем проведены различные эксперименты для проверки его способности обнаруживать деформации широкого диапазона.
В тестах на растяжение с низким диапазоном проводилось измерение пульса на запястье в покое и после тренировки. Были также выполнены измерения движения кожи и тканей на шее во время работы органов речи. Для выявления растяжения среднего уровня были проведены измерения движения бровей и движения гортани вверх-вниз во время глотания. А в испытаниях на растяжение высокого уровня были измерены различные степени сгибания в локтевом суставе.
Результаты экспериментов показали, что новый датчик дает четко улавливаемые сигналы с широким диапазоном чувствительности. Сигналы точно передавали градусы и углы обнаруженных движений. Кроме того, датчик продемонстрировал отличную проводимость, выносливость и воспроизводимость.
Универсальность чешуйчатого сенсора может быть полезна для множества биомедицинских нужд, например, мониторинга работы сердечно-сосудистой системы, помощи пациентам с трудностями в вокализации или глотании, а также физической реабилитации и оценке спортивных результатов. Он также может быть использован для улучшения коммуникации при работах в шумной среде или мониторинга психологических состояний, связанных с выражением лица.
Статья H.Liu et al. Harnessing the wide-range strain sensitivity of bilayered PEDOT:PSS films for wearable health monitoring опубликована в журнале Cell.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Terasaki Institute: Wearable Sensors with Wide-Ranging Strain Sensitivity.