Инженеры Пенсильванского университета создали чернила для рисования биоэлектродов прямо на коже, исключающие воздушный зазор и повышающие точность считывания сигналов
Новые сенсоры высыхают на коже менее чем за 10 минут, растягиваются на 150% без разрывов и сохраняют точность измерений в течение 12 часов, включая физическую активность
Электроды можно красить в любые цвета с помощью пищевых красителей и стирать водой, а один флакон чернил обеспечивает работу датчиков на несколько дней
Технология уже позволяет управлять роботизированным протезом через мышечные сигналы и открывает путь к неинвазивному мониторингу кортизола и глюкозы
Представьте: разноцветная татуировка в виде тигра, акулы или радуги считывает ваши мозговые волны, управляет роботизированным протезом и даже помогает выявить сердечный приступ на ранней стадии. Именно такую технологию разрабатывают инженеры Пенсильванского университета штата (Penn State University) — команда уже подала предварительную заявку на патент на настраиваемые носимые датчики, которые наносятся прямо на кожу пациента. Помимо всех цветов радуги, новые сенсоры используют материалы, которые лучше сцепляются с кожей, — а значит, становятся чувствительнее, долговечнее и точнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
С помощью токопроводящих чернил, похожих на грим для лица, исследователи теперь могут «рисовать» электроды для мониторинга сердечной, мышечной и мозговой активности. Источник изображения — popsci.com
Совершенствование носимых устройств
Все носимые медицинские технологии питаются от электродных контактов, прикреплённых к телу. Эти электроды считывают состояние здоровья и активность сердца, мышц или мозга, регистрируя электрические сигналы, которые вырабатывает организм. Мозговые сигналы преобразуются в показания ЭЭГ, отражающие активность нейронов. Сердечная активность превращается в сигналы ЭКГ, позволяя врачам измерять пульс пациента во время нагрузки и фиксировать подробную картину электрической активности сердца для выявления проблем. Мышечная активность обрабатывается в сигналы ЭМГ, которые отслеживают мышечные сокращения.
В конструкции электродов обычно используют жёсткие металлические материалы. Они обеспечивают стабильность, но плохо удерживаются на теле при движении. Во многих экспериментальных образцах применяют мягкий желеобразный материал — гидрогель, который впитывает воду и набухает. Это помогает ему растягиваться и лучше соответствовать движениям тела, но со временем гидрогель может высыхать — тогда электроды теряют адгезию и эластичность.
«Большинство коммерческих электродов изготавливают заранее — в лаборатории или на заводе, а затем накладывают на кожу. Из-за этого между кожей и электродом остаётся воздушный зазор, который снижает точность измерений», — пояснила Zhang. «Чтобы решить эту проблему, мы разработали токопроводящие чернила, которые наносятся прямо на кожу и после высыхания работают как полноценный электрод».
Больше, чем просто забавные цвета
Чтобы получить красочные чернила, команда смешала несколько видов полимеров (пластмасс) с кислотными добавками в водном растворе. Во влажном виде состав напоминает по консистенции клей, но высыхает на коже менее чем за 10 минут — а с помощью обычного фена процесс можно ускорить ещё сильнее.
«Сами чернила ведут себя почти как грим для лица», — объяснил соавтор исследования Larry Cheng. «Изначально они почти прозрачные, но с помощью пищевого красителя им можно придать любой нужный цвет и нанести любой рисунок — например, мультяшного героя или Супермена. Это позволяет полностью персонализировать носимое устройство под предпочтения человека».
Помимо полной настраиваемости, по словам команды, датчики на основе новых электродов отличаются повышенной чувствительностью. Zhang объяснила: материал, нанесённый непосредственно на кожу, точнее повторяет её текстуру, а значит — даёт более точные измерения.
Команда испытала датчики в самых разных дизайнах и цветах — от лисы на фото выше до других забавных персонажей. Источник изображения — popsci.com
Для повышения стабильности соединительную область электродов наносят на пористый серебристый текстиль (похожий на металлизированную ткань), размещённый на коже. Влажные чернила проникают в ткань, а затем застывают и прилипают к поверхности кожи. Эта соединительная часть вставляется в порт более крупного электрического модуля, который крепится к коже пользователя под одеждой и по Bluetooth беспроводным способом передаёт на компьютер собранные чернилами электрические сигналы.
Пористая структура текстиля позволяет электродам растягиваться более чем на 150% от первоначального размера без разрыва. Одновременно она помогает им равномернее прилегать к текстуре кожи и точнее считывать сигналы.
Нанесение чернил
В одном эксперименте нарисованные электроды эффективно отслеживали показания ЭКГ на протяжении 12 часов повседневной активности испытуемого. В другом тесте участник носил датчики во время тренировки — и электроды сохранили адгезию и точность даже при физической нагрузке. Команда также считывала сигналы ЭМГ с предплечья испытуемого и передавала их на роботизированный протез, позволяя управлять механической рукой без прямого контакта с ней.
Команда планирует продолжить разработку электродов, чтобы в будущем использовать их для измерения более сложных биомаркеров — например, кортизола или глюкозы. Яркие цвета и возможность выбора дизайна могут особенно пригодиться в педиатрии, ведь поход к врачу редко радует детей.
