Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • iHerb
  • Biohacking
  • M-Health

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.

bilayered.jpg

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.


Читать статьи по темам:

биосенсоры физическая активность кожа Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Сенсор-наклейка для спортсменов, врачей и косметологов

Сенсоры в виде временной татуировки-наклейки помогут в диагностике заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ, дадут сигнал об усталости спортсмена или его сильном обезвоживании и могут оказаться полезными в косметической промышленности для мониторинга секреции кожи.

читать

Потейте и заряжайте батарейки

Небольшая электронная татуировка крепится к телу человека и следит за состоянием его здоровья во время физических тренировок. Питаться устройство будет за счет разложения молочной кислоты, выделяемой с потом при интенсивных нагрузках.

читать

Бегуны со встроенными датчиками

В них встроены специальные датчики, отслеживающие множество параметров, которые собирают информацию и в режиме реального времени передают ее по модулю Bluetooth на смартфон или компьютер для дальнейшей оценки самим спортсменом или врачами.

читать

Кортизол без посредников

Нанодатчик определяет уровень кортизола без необходимости использования каких-либо молекул или частиц в качестве меток.

читать

Токсины не пройдут

Биолюминесцентные сенсоры способны распознать в окружающей среде и пище тяжелые металлы и пестициды.

читать

Биосенсоры в текстиле

Маски для лица и спецодежда для медперсонала и военных смогут обнаружить частицы патогена за 90 минут и так же точно, как ПЦР-тест.

читать