Носимые устройства сегодня являются скорее тенденцией, чем технологическим прорывом. Для тех из нас, кто использует Fitbits и смарт часы для отслеживания шагов и сердечных сокращений, показания являются скорее примерной оценкой, чем точным измерением. Из-за защитных свойств кожи биосенсоры не всегда могут точно определить показания, поскольку они содержат бактерии и собирают соль и другие минералы, найденные на коже после высыхания пота.
Датчик, который может эффективно измерять биометрические показатели, должен обладать способностью растягиваться и изгибаться по мере того, как он прилипает к коже человека. Две исследовательские группы из Университета Цинциннати и Университета Британской Колумбии пытаются создать лучшую износостойкую технологию, способную преодолеть защитные свойства человеческой кожи.
Университет Цинциннати разработал новые методы преодоления защитных свойств человеческой кожи. Кожа человека препятствует возможности ученых получать точные данные о внутренних органах и биометрических показателях человеческого организма. «Вы считаете, что кожа — это отличная возможность для проведения исследований, потому что вы можете измерять ее показатели оптически, химически, электрически и механически», — сказал Джейсон Хейкенфельд, заместитель вице-президента в Колледже инженеров и прикладных наук UC. «Но на самом деле все наоборот. Тело эволюционировало, чтобы сохранить все эти химические «аналиты». Таким образом, кожа, на самом деле, не лучший материал для исследования химических показателей организма».
По словам Хейкенфельда, новейшая тенденция технологии носимых устройств не была вызвана научными прорывами, а ее реальная причина кроется в росте популярности смартфонов. «Когда вы думаете о Fitbit, эти возможности существуют уже давно, — сказал он. «Что вызвано распространением смартфонов и «миниатюризацией» электроники и растущим стремлением к «цифровому здоровью»».
Секрет записи данных точно лежит в человеческом поту. Хейкенфельд также является соучредителем и главным научным сотрудником Eccrine Systems Inc., компании Cincinnati, специализирующейся на биосенсорах пота. Компания Eccrine Systems недавно объявила, что ей был предоставлен контракт в размере 750 000 долларов США от ВВС для изучения биомаркеров человеческого пота в режиме реального времени, что является вторым этапом первоначального исследовательского контракта с военными.
Студенты Адам Хауке и Филлип Симмерс из Novel Devices Lab используют человеческий пот для получения более точных биометрических данных. Устройство имеет размер лейкопластыря и носится на коже. Следующее поколение датчиков имитирует поведение человеческого тела (того участка тела к которому оно прикреплено), чтобы собирать данные о состоянии организма с потовыделений, даже когда человек находится в состоянии покоя. Устройство также измеряет кожно-гальваническую реакцию, которая указывает, насколько сильное у человека потоотделение. Общество химиков и микронано систем отметило Хауке и Симмерса своей наградой «Молодой исследователь» в прошлом году за их работу по непрерывному отбору образцов и анализу потовыделений.
Лаура Штегнер и Эми Дрекселиус, другие студенты лаборатории Novel Devices Lab, работали над устройством, которое может разделить и сконцентрировать аналиты в поту или в крови. Они использовали фрезерные станки для настройки датчиков скорости потока. Это может оказаться полезным при фильтрации количества частиц и химических веществ, обнаруженных в наших телах, из таких источников, как нормальная питьевая вода.
По словам инженера-разработчика UC Эндрю Джаджака, реальная ценность носимых устройств исходит от использования маркеров с одним моментом времени, чтобы фиксировать данные в реальном времени. «Назначение носимых датчиков — мониторинг состояния в реальном времени», — сказал он. «Вы можете увидеть более сложную картину того, что происходит в организме. Это само по себе приведет к появлению большего количества диагностических методов по всему спектру заболеваний».
Растягивающиеся датчики
Другая сторона проблемы — это устранение сенсоров, которые могут перемещаться с кожей человека. Исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) кампуса Оканаган разработали практический способ контроля и интерпретации движения человека. Их первоначальные исследования заключались в создании ультра-растяжимого датчика. Вскоре он превратился в сложный междисциплинарный проект с целью создания интеллектуального носимого устройства, способного воспринимать и понимать сложные человеческие движения.
Датчик изготавливается путем вливания графеновой наностружки (GNF) в резиноподобную адгезивную прокладку. Датчик прошел испытания на растяжение и прочность, чтобы убедиться, что он может поддерживать точность при нагрузках до 350% от исходного состояния. Устройство прошло более 10 000 циклов растяжения и расслабления при сохранении его электрической стабильности.
«Мы подвергли этот датчик многим испытаниям», — сказал Хомайон Наджаран, профессор Инженерной школы UBC. «Он не только сохранил свою форму, но, что более важно, он сохранил свои измерительные способности. Мы также продемонстрировали эффективность GNF-Pad как тактильной технологии в приложениях реального времени, точно воспроизведя жесты пальцев человека, используя трехкомпонентный роботизированный палец».
Цель заключалась в создании датчика, который был бы растяжимым и гибким при разумных размерах, а также отвечал требованиям чувствительности, производительности, стоимости производства и надежности. Датчик растяжения ведет себя иначе, чем инерционный измерительный блок (ИДУ). ИДУ — это электронный блок, который измеряет силу и движение и используется в большинстве ступенчатых пригодных для носки технологий. Датчик растяжения будет достаточно чувствительным, чтобы реагировать на различные и сложные движения тела, включая бесконечно малые движения, такие как сердцебиение, подергивание пальца или большие движения мышц от ходьбы и бега.
Исследовательская группа UBC создала три носимых устройства, включая коленную ленту, браслет и перчатку. Наручный браслет контролировал пульс, измеряя пульс артерии. Перчатки и коленные ленты, выделяющие большой диапазон движения, контролировали жесты пальцев и более крупные движения мышц во время ходьбы, бега, сидя и стоя. Результаты показывают, что можно создать недорогое устройство с высокой степенью чувствительности, селективности и долговечности.
Профессор школы инженерии и соавтор исследования Мина Хоорфар надеется, что результаты тестирования могут помочь производителям создать следующий уровень мониторинга состояния здоровья и биомедицинских устройств: «Мы внедрили простой и высоко повторяемый метод изготовления для создания чувствительного датчика с выдающимися механическими и электрическими свойствами по достаточно низкой цене».
