- 28,291
- 46
- 8 Ноя 2022
Зачем ребёнку бояться страшных датчиков для кардиограммы, если можно ходить с милой лисой на руке?
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Носимые медицинские датчики обычно выглядят как скучные пластыри с проводами и жёсткими контактами. Инженеры предложили другой вариант: электроды можно нарисовать прямо на коже в виде лисы, персонажа, узора или почти незаметной линии. Проводящие чернила считывают работу сердца, мышц и мозга, остаются на месте во время движения, а после использования легко смываются водой.
Разработчики создали водный состав, который наносят кистью непосредственно на тело. Пока чернила влажные, они напоминают клей, а примерно через десять минут превращаются в тонкий проводящий слой. Сушку можно ускорить обычным феном.
Изначально материал почти прозрачный. Для окрашивания достаточно добавить пищевой краситель, поэтому электрод можно сделать любого цвета и вписать в рисунок. Декоративная форма не мешает работе датчика: чернила повторяют микрорельеф кожи и сохраняют электрический контакт по всей нарисованной площади.
Команда уже подала предварительную патентную заявку и описала разработку в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. По замыслу авторов, одноразовые нарисованные электроды будут работать вместе с отдельным многоразовым электронным модулем. Пользователь сможет смыть старый рисунок, нанести новый и снова подключить тот же блок передачи данных.
Любая система для считывания биосигналов начинается с контакта между кожей и электродом. Сердце, мышцы и мозг создают слабые электрические импульсы, которые можно зарегистрировать на поверхности тела. После обработки сигналы превращаются в электрокардиограмму, электромиограмму или электроэнцефалограмму.
Электрокардиография показывает электрическую активность сердца, позволяет измерять пульс и замечать нарушения ритма. Электромиография отслеживает сокращения мышц, а электроэнцефалография фиксирует колебания, связанные с работой мозга. Качество записи напрямую зависит от того, насколько плотно электрод прилегает к коже.
Обычные датчики часто делают из жёстких металлических материалов. Они хорошо проводят ток, но хуже переносят движение, растяжение кожи и пот. Во время тренировки контакт может ослабнуть, а показания начинают искажаться.
Многие экспериментальные системы используют гидрогель, мягкий желеобразный материал, который поглощает воду и лучше подстраивается под движения тела. Однако гидрогель постепенно высыхает, теряет эластичность и хуже держится на коже. После длительного ношения электрод начинает отслаиваться.
Проблема возникает ещё на этапе наклеивания. Готовые сенсоры производят на фабрике, а затем прикладывают к телу. Между ровной поверхностью электрода и естественными неровностями кожи остаются микроскопические воздушные зазоры. Волосы и пот дополнительно ослабляют сцепление, особенно при измерениях во время движения.
Жидкие чернила заполняют неровности сразу после нанесения. Материал обволакивает волоски, проникает в углубления и после высыхания сохраняет форму поверхности. За счёт плотного прилегания электрический сигнал проходит стабильнее, а измерения становятся точнее.
Состав получили из нескольких полимеров и кислотных добавок, растворённых в воде. Полимеры отвечают за гибкость, сцепление с кожей и проводимость после высыхания. Подобранная смесь растягивается вместе с телом и не растрескивается при обычных движениях.
Одной краски недостаточно для подключения к аппаратуре, поэтому часть электрода наносят на пористую серебряную ткань, расположенную на коже. Пока чернила не высохли, они проникают между волокнами и прочно связывают металлический текстиль с нарисованной дорожкой.
Свободный край ткани подключают к небольшому электронному блоку, закреплённому под одеждой. Модуль принимает сигналы от электродов и передаёт их на компьютер по Bluetooth. Дорогая электроника остаётся многоразовой, а контактный слой на коже можно менять по мере необходимости.
Пористая структура серебряного текстиля пропускает влагу и меньше мешает волосам. Благодаря этому под электродом реже скапливается пот, который способен вызвать раздражение или нарушить соединение. Материал также выдерживает растяжение более чем на 150% от первоначальной длины без разрыва.
В одном из опытов нарисованные электроды записывали электрокардиограмму участника в течение 12 часов обычной повседневной активности. Система продолжала отслеживать работу сердца во время ходьбы, сидения и других движений.
Отдельное испытание провели во время физической нагрузки. Электроды не отклеились из-за пота, сохранили контакт и продолжили передавать разборчивый сигнал. Авторы подчёркивают, что 12 часов не считаются предельным сроком работы материала: эксперимент ограничили продолжительностью наблюдения, а не разрушением покрытия.
Ещё один тест показал, что чернила подходят не только для медицинских измерений. Датчики считывали сокращения мышц предплечья и передавали команды роботизированному протезу . Участник управлял механической кистью напряжением собственных мышц, не касаясь устройства.
Подобная схема может пригодиться людям с протезами, которым нужны удобные и точно расположенные электроды. Рисунок легко нанести именно над нужной группой мышц, а после износа восстановить без замены всего оборудования.
Авторы также рассматривают применение в раннем выявлении сердечных проблем. Непрерывная ЭКГ способна зафиксировать изменения, которые не проявляются во время короткого обследования в кабинете врача. Пока разработка остаётся исследовательским образцом и не предназначена для самостоятельной диагностики инфаркта, но точный и устойчивый контакт расширяет возможности длительного наблюдения.
Другим направлением могут стать нейроинтерфейсы. Нарисованные электроды способны регистрировать сигналы мозга и передавать их для последующей обработки. Для сложных систем управления потребуется больше каналов и более плотная схема размещения, однако сама технология упрощает контакт с головой и другими участками тела.
Команда собирается дополнить платформу химическими сенсорами. В будущем покрытие может измерять не только электрическую активность, но и биомаркеры, включая кортизол и глюкозу. Для такой задачи потребуются отдельные чувствительные компоненты, реагирующие на вещества в поте или других биологических жидкостях.
Разработчики обсуждают возможное применение в педиатрии. Цветной рисунок в виде животного или персонажа может меньше пугать ребёнка, чем медицинский пластырь с проводами. Врач сможет подобрать форму и цвет электрода, не меняя принцип измерения.
Проводящие чернила пригодятся и за пределами медицины. Исследователи хотят наносить датчики на растения и превращать листья или стебли в источники данных об окружающей среде. Подобные сенсоры смогут отслеживать воздействие химических веществ и изменения состояния растения после контакта с ними.
Главное преимущество разработки связано с сочетанием точности и простоты. Электрод формируется прямо на коже, повторяет её поверхность, выдерживает движение и не требует сложного изготовления под каждого человека. Бутылки чернил может хватить на многократное нанесение в течение нескольких дней или недели, а электронный модуль останется тем же.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
Носимые медицинские датчики обычно выглядят как скучные пластыри с проводами и жёсткими контактами. Инженеры предложили другой вариант: электроды можно нарисовать прямо на коже в виде лисы, персонажа, узора или почти незаметной линии. Проводящие чернила считывают работу сердца, мышц и мозга, остаются на месте во время движения, а после использования легко смываются водой.
Разработчики создали водный состав, который наносят кистью непосредственно на тело. Пока чернила влажные, они напоминают клей, а примерно через десять минут превращаются в тонкий проводящий слой. Сушку можно ускорить обычным феном.
Изначально материал почти прозрачный. Для окрашивания достаточно добавить пищевой краситель, поэтому электрод можно сделать любого цвета и вписать в рисунок. Декоративная форма не мешает работе датчика: чернила повторяют микрорельеф кожи и сохраняют электрический контакт по всей нарисованной площади.
Команда уже подала предварительную патентную заявку и описала разработку в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. По замыслу авторов, одноразовые нарисованные электроды будут работать вместе с отдельным многоразовым электронным модулем. Пользователь сможет смыть старый рисунок, нанести новый и снова подключить тот же блок передачи данных.
Любая система для считывания биосигналов начинается с контакта между кожей и электродом. Сердце, мышцы и мозг создают слабые электрические импульсы, которые можно зарегистрировать на поверхности тела. После обработки сигналы превращаются в электрокардиограмму, электромиограмму или электроэнцефалограмму.
Электрокардиография показывает электрическую активность сердца, позволяет измерять пульс и замечать нарушения ритма. Электромиография отслеживает сокращения мышц, а электроэнцефалография фиксирует колебания, связанные с работой мозга. Качество записи напрямую зависит от того, насколько плотно электрод прилегает к коже.
Обычные датчики часто делают из жёстких металлических материалов. Они хорошо проводят ток, но хуже переносят движение, растяжение кожи и пот. Во время тренировки контакт может ослабнуть, а показания начинают искажаться.
Многие экспериментальные системы используют гидрогель, мягкий желеобразный материал, который поглощает воду и лучше подстраивается под движения тела. Однако гидрогель постепенно высыхает, теряет эластичность и хуже держится на коже. После длительного ношения электрод начинает отслаиваться.
Проблема возникает ещё на этапе наклеивания. Готовые сенсоры производят на фабрике, а затем прикладывают к телу. Между ровной поверхностью электрода и естественными неровностями кожи остаются микроскопические воздушные зазоры. Волосы и пот дополнительно ослабляют сцепление, особенно при измерениях во время движения.
Жидкие чернила заполняют неровности сразу после нанесения. Материал обволакивает волоски, проникает в углубления и после высыхания сохраняет форму поверхности. За счёт плотного прилегания электрический сигнал проходит стабильнее, а измерения становятся точнее.
Состав получили из нескольких полимеров и кислотных добавок, растворённых в воде. Полимеры отвечают за гибкость, сцепление с кожей и проводимость после высыхания. Подобранная смесь растягивается вместе с телом и не растрескивается при обычных движениях.
Одной краски недостаточно для подключения к аппаратуре, поэтому часть электрода наносят на пористую серебряную ткань, расположенную на коже. Пока чернила не высохли, они проникают между волокнами и прочно связывают металлический текстиль с нарисованной дорожкой.
Свободный край ткани подключают к небольшому электронному блоку, закреплённому под одеждой. Модуль принимает сигналы от электродов и передаёт их на компьютер по Bluetooth. Дорогая электроника остаётся многоразовой, а контактный слой на коже можно менять по мере необходимости.
Пористая структура серебряного текстиля пропускает влагу и меньше мешает волосам. Благодаря этому под электродом реже скапливается пот, который способен вызвать раздражение или нарушить соединение. Материал также выдерживает растяжение более чем на 150% от первоначальной длины без разрыва.
В одном из опытов нарисованные электроды записывали электрокардиограмму участника в течение 12 часов обычной повседневной активности. Система продолжала отслеживать работу сердца во время ходьбы, сидения и других движений.
Отдельное испытание провели во время физической нагрузки. Электроды не отклеились из-за пота, сохранили контакт и продолжили передавать разборчивый сигнал. Авторы подчёркивают, что 12 часов не считаются предельным сроком работы материала: эксперимент ограничили продолжительностью наблюдения, а не разрушением покрытия.
Ещё один тест показал, что чернила подходят не только для медицинских измерений. Датчики считывали сокращения мышц предплечья и передавали команды роботизированному протезу . Участник управлял механической кистью напряжением собственных мышц, не касаясь устройства.
Подобная схема может пригодиться людям с протезами, которым нужны удобные и точно расположенные электроды. Рисунок легко нанести именно над нужной группой мышц, а после износа восстановить без замены всего оборудования.
Авторы также рассматривают применение в раннем выявлении сердечных проблем. Непрерывная ЭКГ способна зафиксировать изменения, которые не проявляются во время короткого обследования в кабинете врача. Пока разработка остаётся исследовательским образцом и не предназначена для самостоятельной диагностики инфаркта, но точный и устойчивый контакт расширяет возможности длительного наблюдения.
Другим направлением могут стать нейроинтерфейсы. Нарисованные электроды способны регистрировать сигналы мозга и передавать их для последующей обработки. Для сложных систем управления потребуется больше каналов и более плотная схема размещения, однако сама технология упрощает контакт с головой и другими участками тела.
Команда собирается дополнить платформу химическими сенсорами. В будущем покрытие может измерять не только электрическую активность, но и биомаркеры, включая кортизол и глюкозу. Для такой задачи потребуются отдельные чувствительные компоненты, реагирующие на вещества в поте или других биологических жидкостях.
Разработчики обсуждают возможное применение в педиатрии. Цветной рисунок в виде животного или персонажа может меньше пугать ребёнка, чем медицинский пластырь с проводами. Врач сможет подобрать форму и цвет электрода, не меняя принцип измерения.
Проводящие чернила пригодятся и за пределами медицины. Исследователи хотят наносить датчики на растения и превращать листья или стебли в источники данных об окружающей среде. Подобные сенсоры смогут отслеживать воздействие химических веществ и изменения состояния растения после контакта с ними.
Главное преимущество разработки связано с сочетанием точности и простоты. Электрод формируется прямо на коже, повторяет её поверхность, выдерживает движение и не требует сложного изготовления под каждого человека. Бутылки чернил может хватить на многократное нанесение в течение нескольких дней или недели, а электронный модуль останется тем же.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
