Številne telesne funkcije pri ljudeh se kažejo z mehanskimi deformacijami kože – od raztezanja, upogibanja in premikanja mišic in sklepov do utripa na zapestju.
Science X
2022-305-5
Te mehanske spremembe je mogoče zaznati in spremljati z merjenjem različnih stopenj obremenitve na različnih točkah po telesu.
V zadnjih letih je bilo veliko pozornosti osredotočeno na nosljive senzorje za merjenje teh majhnih sil za uporabo pri osebnem spremljanju zdravja. Nekateri od teh senzorjev lahko zaznajo obremenitve visoke stopnje (40–100 %), na primer tiste, povezane z gibi prstov in sklepov okončin, drugi zaznajo obremenitve srednje stopnje (10–40 %), ki jih najdemo pri požiranju in gibih obraza. tretji pa so občutljivi na obremenitve nizke ravni (<1%-10%), ki jih opazimo pri utripih v zapestju in vibracijah glasilk.
Zaradi svoje najvišje stopnje prevodnosti in stabilnosti je zelo priljubljen material za te vrste senzorjev PEDOT:PSS ali poli(3,4-etilendioksitiofen) polistiren sulfonat. Prej so bili razviti zelo občutljivi raztezni senzorji PEDOT:PSS, ki lahko zaznajo obremenitev zaradi zelo majhnih gibov (<1%), vendar sama po sebi slaba raztegljivost filmov PEDOT:PSS povzroči poslabšanje ravni zmogljivosti in delovanja, če se uporabljajo za merjenje večjih obremenitev. (>20 %). Poskusi reševanja tega problema z dodajanjem raztegljivih polimerov ali elastomerov so povzročili povečano raztegljivost, vendar zmanjšano občutljivost pri odkrivanju majhnih deformacij.
Skupina iz Inštituta za biomedicinske inovacije Terasaki se je s temi izzivi spopadla z oblikovanjem nosljive naprave za zaznavanje sevov, ki lahko učinkovito zazna širok spekter sevov. Da bi povečali raztegljivost tega senzorja, so raziskovalci TIBI črpali navdih iz primera, ki ga najdemo v naravi. Kače so dobro znane po tem, da imajo sposobnost, da se ob zaužitju plena raztegnejo na večkratno njihovo normalno telesno velikost. Ob natančnejšem pregledu kačje kože so raziskovalci opazili, da je kačja koža prekrita s prekrivajočimi se luskami; pri obremenitvi te luske zdrsnejo ena mimo druge in se premaknejo v ločene luske, med katerimi je vmesna koža. To daje koži izjemno raztegljivost.
Raziskovalci so ta koncept oblikovanja uporabili pri izdelavi svojega senzorja. “Nanesli smo tanek sloj PEDOT:PSS in ga zapekli na elastomerni trak. Ta plast je bila nato raztegnjena na eksperimentalno optimizirano 50-odstotno stopnjo deformacije. Ta proces je povzročil razpoke in nastanek drobcev ali “otokov” na površini plasti z vmesnimi območji PEDOT:PSS. Ta izpostavljena območja so služila kot vezna mesta za nanos druge tanke plasti PEDOT:PSS. Po nanosu je bil drugi sloj dodatno raztegnjen do 100-odstotne stopnje obremenitve, kar je povzročilo ustvarjanje dodatnih otokov in območij, ki so naravno poravnana s tistimi iz prve plasti. Ko se je sprostila iz raztezanja, je nastala struktura s prekrivajočimi se otoki, ki so posnemali luskasto strukturo kačje kože.”
“Ključna točka pri razvoju tega senzorja je njegova nova strukturna zasnova,” je povedal glavni raziskovalec dr. Shiming Zhang. “Naši napravi omogoča merjenje širokega razpona stopenj obremenitve z visoko stopnjo občutljivosti.”
Dvoslojni PEDOT:PSS je bil pritrjen na plast hidrogela; mehki želatinasti hidrogel je bil izbran za to spodnjo plast, saj bi ležal na koži subjekta ter nudil biokompatibilnost in udobje pri nošenju. Senzorju so bile dodane bakrene žice in elastomerno tesnilo, izvedeni pa so bili različni poskusi, da bi preverili njegovo sposobnost zaznavanja širokega spektra deformacij.
Pri testih nizke obremenitve so bile meritve utripov na zapestju opravljene v mirovanju in po vadbi. Opravljene so bile tudi meritve gibanja kože in tkiva na vratu med vokalizacijo in fonacijo. Za odkrivanje srednjih obremenitev so bile opravljene meritve gibov obrvi in gibov grla navzgor in navzdol med požiranjem. In pri testih obremenitve na visoki ravni so bile opravljene meritve različnih stopenj upogiba komolca.
Rezultati poskusov so pokazali, da je senzor TIBI dal jasno definirane signale z razponom občutljivosti dveh redov velikosti. Signali so natančno odražali stopinje in kote ustreznih premikov, ki so bili zaznani. Poleg tega je senzor pokazal odlično prevodnost, vzdržljivost in ponovljivost.
Vsestranskost tega širokega nosljivega senzorja je mogoče uporabiti za nešteto biomedicinskih potreb, kot je spremljanje srčnih ali cirkulacijskih funkcij, pomoč osebam s težavami pri vokalizaciji ali požiranju ali pri fizični rehabilitaciji in ocenjevanju atletske uspešnosti. Uporablja se lahko tudi v ustvarjalnih aplikacijah, kot je izboljšanje komunikacije za tiste, ki delajo v hrupnem okolju, ali pri spremljanju psiholoških stanj, povezanih z mimiko.
“Tu prikazana načela strukturne zasnove so pravi napredek pri spremljanju zdravja v nosljivih napravah,” je dejal dr. Ali Khademhosseini, direktor in izvršni direktor TIBI. “Ponazarja ustvarjalno in napredno razmišljanje naših raziskovalcev pri razvoju prilagojenih naprav za zaznavanje.”
Povzeto po:
https://techxplore.com/news/2021-07-snake-skin-wearable-sensors-wide-ranging.html
https://techxplore.com
