Инженеры из Penn State University подали предварительную патентную заявку на яркие настраиваемые носимые датчики, которые можно буквально рисовать прямо на коже пациента. Это могут быть татуировки в виде тигра, акулы или радуги, способные считывать мозговые волны, управлять роботизированными протезами и потенциально раньше выявлять признаки сердечного приступа. По словам исследователей, такие сенсоры не только поддерживают любые цвета, но и лучше сцепляются с кожей, за счет чего повышаются чувствительность, долговечность и точность. Разработка описана в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Ученые создали наносимые на кожу цветные электроды для ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ
Как улучшают носимые медицинские устройства
Любые носимые медицинские технологии работают за счет электродов, закрепленных на теле. Они считывают электрические сигналы организма и по ним определяют состояние сердца, мышц или мозга пациента. Сигналы мозга преобразуются в показания EEG, отражающие активность нейронов. Активность сердца превращается в сигналы ECG, которые позволяют врачам измерять пульс во время нагрузки и получать детальную картину электрической работы сердца для отслеживания возможных проблем. Мышечная активность может обрабатываться в виде сигналов EMG, по которым отслеживаются сокращения мышц.
Обычно электроды делают из жестких материалов на основе металла. Они стабильны, но часто плохо держатся на теле, когда человек двигается. Во многих экспериментальных вариантах используется мягкий гелеобразный материал — гидрогель, который впитывает воду и набухает. Это помогает ему растягиваться и лучше повторять движения тела, но со временем он может пересыхать. После этого электроды теряют сцепление с кожей и эластичность.
Как объясняет аспирантка и соавтор исследования Wanqing Zhang, на точность показаний влияет не только то, что электроды могут отклеиваться. Значение имеет и сам способ их нанесения. Многие коммерческие сенсоры также плохо записывают происходящее в организме, особенно если их размещают на коже с волосами или на потной коже.
«Большинство коммерческих электродов заранее изготавливаются в лаборатории или на производстве, а затем накладываются на кожу, из-за чего между кожей и электродом остается воздушный зазор, который ухудшает качество считывания, — пояснила Zhang. — Чтобы решить эту проблему, мы разработали проводящие чернила, которые можно наносить прямо на кожу. После высыхания они работают как полноценный электрод».
Не только яркий внешний вид
Для создания новых сенсоров команда смешала несколько типов полимеров с кислотными добавками в растворе на водной основе и получила цветные чернила. Во влажном состоянии они по консистенции напоминают клей, а на коже высыхают менее чем за 10 минут. При необходимости процесс можно ускорить обычным феном.
«Сами чернила ведут себя почти как краска для лица, — рассказал соавтор исследования Larry Cheng. — Изначально они почти прозрачные, но с помощью пищевого красителя им можно придать любой цвет и нарисовать любой узор — например, мультяшного героя или Superman. Это позволяет полностью персонализировать носимое устройство под предпочтения человека».
Исследователи говорят, что помимо полной свободы в дизайне такие электроды отличаются высокой отзывчивостью. По словам Zhang, нанесение материала прямо на кожу помогает ему точнее повторять ее текстуру, а это улучшает качество измерений.
Чтобы повысить стабильность соединения между электродами и сенсорами, часть электрода наносят на пористый серебряный текстиль, размещенный на коже. Влажные чернила проникают в ткань, затем затвердевают и фиксируются на поверхности кожи. После этого соединительный участок подключается к порту более крупного электрического модуля. Сам модуль крепится на коже под одеждой и по Bluetooth беспроводным способом передает собранные электрические сигналы на компьютер.
Согласно исследованию, пористая структура текстиля позволяет электродам растягиваться более чем до 150 процентов от исходного размера без повреждений. Одновременно это помогает им равномернее прилегать к текстуре кожи и эффективнее регистрировать электрические сигналы.
«При использовании других материалов в течение нескольких дней на границе между электродом и кожей накапливаются пот и влага, что может вызывать раздражение или приводить к отслоению, — сказал Cheng. — Пористая структура позволяет влаге и волосам лучше проходить через материал, за счет чего электроды становятся более проводящими, лучше держатся и оказываются комфортнее».
Как показали себя “электроды-татуировки”
В одном из экспериментов нарисованные электроды эффективно отслеживали сигналы ECG во время повседневной активности испытуемого на протяжении 12 часов. В другом тесте второй участник фиксировал показания во время физических упражнений, и электроды сохранили сцепление с кожей и точность даже при нагрузке. Команда также записала сигналы EMG с предплечья одного из участников и передала их на роботизированный протез, что позволило управлять роботизированной рукой без прикосновения к ней.
«Хотя в тесте повседневного применения мы проверяли систему в течение 12 часов, это не предел для таких электродов, — сказал Cheng. — Сами электроды можно смыть и легко нанести заново. Основная идея в том, что в будущем более дорогой сенсорный модуль может оставаться отдельной частью системы, а сами электроды будут расходным материалом. Одного флакона чернил может хватить, чтобы наносить несколько электродов в течение нескольких дней или недели».
Команда планирует и дальше развивать технологию, чтобы в перспективе такие электроды могли отслеживать более сложные биомаркеры, включая кортизол или глюкозу. Яркие цвета и широкие возможности оформления могут оказаться особенно полезны и в педиатрии, где визит к врачу редко вызывает у детей положительные эмоции.
Такие электроды могут сделать медицинский мониторинг точнее и удобнее, особенно если обычные сенсоры плохо держатся на коже во время движения, потоотделения или при наличии волос. Кроме того, идея с отдельным электронным модулем и смываемыми электродами может упростить повседневное использование подобных систем дома, в спорте и в реабилитации.
Читайте так же:
- Как беспилотным автомобилям «видеть» лучше: сделать их датчики более похожими на человеческое зрение
- Синтетическая кожа обнажает скрытую «Мону Лизу» при воздействии тепла
- От гвоздей в подошве до кожи кенгуру: как футбольные бутсы прошли безумный путь эволюции
- Будущие ремешки Apple Watch смогут распознавать жесты пальцев
