Инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Северо-Западного университета продемонстрировали тонкие мягкие наклеивающиеся пластыри, которые растягиваются и движутся вместе с кожей и включают коммерческую, готовую электронику на основе микросхем для сложного беспроводного мониторинга состояния здоровья.
Пластыри прилипают к коже, как временная татуировка, и включают уникальную микрофлюидную конструкцию с проволокой, сложенной как оригами, что позволяет пластырю изгибаться и сгибаться, не ограничиваясь жесткими электронными компонентами.
Патчи могут использоваться для повседневного отслеживания состояния здоровья — беспроводной отправки обновлений на ваш мобильный телефон или компьютер — и могут произвести революцию в клиническом мониторинге, таком как тестирование ЭКГ и ЭЭГ — никаких громоздких проводов, прокладок или лент не требуется.
«Мы разработали это устройство для круглосуточного наблюдения за здоровьем человека, но без вмешательства в его повседневную деятельность», — сказал Юнган Хуанг, профессор Северо-Западного университета, который руководил работой вместе с профессором из Иллинойса Джоном А. Роджерс. "Он такой же мягкий, как человеческая кожа, и может двигаться вместе с вашим телом, но в то же время он имеет множество различных функций мониторинга.
Что очень важно в этом устройстве, так это то, что оно имеет беспроводное питание и может отправлять высококачественные данные о человеческом теле на компьютер в режиме реального времени."
Исследователи провели параллельное сравнение с традиционными мониторами ЭКГ и ЭЭГ и обнаружили, что беспроводной патч работает одинаково с обычными датчиками, но при этом значительно удобнее для пациентов.
Такое различие имеет решающее значение для долгосрочного мониторинга, таких ситуаций, как стресс-тесты или исследования сна, когда результат зависит от способности пациента двигаться и вести себя естественно, или для пациентов с хрупкой кожей, таких как недоношенные новорожденные.
Команда опубликует свой дизайн в выпуске журнала Science от 4 апреля.
Группа Роджерса в Иллинойсе ранее демонстрировала электронику кожи, сделанную из очень крошечных, ультратонких, специально разработанных и напечатанных компонентов.
Хотя они также предлагают высокопроизводительный мониторинг, возможность включения легко доступных компонентов на основе микросхем обеспечивает множество важных дополнительных возможностей в инженерном проектировании по очень низкой цене.
«В наших оригинальных эпидермальных устройствах использовались устройства особой геометрии — супертонкие, структурированные определенным образом», — сказал Роджерс. "Но микросхемы, батареи, конденсаторы и другие компоненты должны быть переработаны для этих платформ. Очень полезно дополнить эту специализированную стратегию нашими новыми концепциями в области микрофлюидики и межсоединений оригами, чтобы обеспечить совместимость с коммерческими готовыми деталями для ускоренной разработки, снижения затрат и расширения опций в типах устройств."
Команда из нескольких университетов обратилась к мягким микрожидкостным конструкциям, чтобы решить проблему интеграции относительно больших и громоздких микросхем с мягкой эластичной основой пластыря.
Пластырь состоит из тонкого эластичного конверта, наполненного жидкостью. Компоненты микросхемы подвешены на крошечных приподнятых опорных точках, связывая их с нижележащей заплатой, но позволяя заплатке растягиваться и перемещаться.
Одним из самых больших инженерных достижений патча является конструкция крошечных волнистых проводов, соединяющих электронные компоненты — радиоприемники, силовые индукторы, датчики и многое другое. Проволоки змеевидной формы сложены, как оригами, поэтому независимо от того, в какую сторону изгибается, скручивается или растягивается нашивка, провода могут разворачиваться в любом направлении, чтобы приспособиться к движению.
Поскольку провода растягиваются, чипы не должны.
Установленные на коже устройства могут дать тем, кто заинтересован в отслеживании фитнеса, более полную и точную картину уровня своей активности.
«Когда вы измеряете движение на устройстве типа наручных часов, ваше тело не очень точно и надежно соединяется с устройством», — сказал Роджерс, профессор материаловедения и инженерии из Свонлунда. я. "Относительное движение вызывает сильный фоновый шум.
Если у вас есть эти прикрепляемые к коже устройства и возможность размещать их на нескольких частях тела, вы можете получить гораздо более глубокий и богатый набор информации, чем это было бы возможно с устройствами, которые плохо связаны с кожей. И это только начало обширного диапазона точных измерений, относящихся к физиологическому здоровью, которые возможны, когда вы мягко и плотно прилегаете к коже."
Исследователи надеются, что их сложные интегрированные сенсорные системы могут не только контролировать состояние здоровья, но и помочь выявить проблемы до того, как пациент узнает об этом. Например, по словам Роджерса, анализ данных может обнаруживать движения, связанные с болезнью Паркинсона в ее начале.
«Применение растяжимой электроники в медицине имеет большой потенциал», — сказал Хуанг. "Если мы сможем постоянно следить за своим здоровьем с помощью удобного небольшого устройства, которое прикрепляется к нашей коже, мы сможем определить состояние здоровья до того, как испытаем боль, дискомфорт и болезнь."