Nowy czujnik do "inteligentnych pieluch" i gamy innych monitorów zdrowia

Podczas gdy niemowlęta mają naturalny mechanizm ostrzegania rodziców, że potrzebują zmiany pieluchy, nowy czujnik opracowany przez naukowców z Penn State może pomóc pracownikom, nie tylko żłobków, ale także szpitali i innych miejsc, zapewnić natychmiastową opiekę nad podopiecznymi. Omawiany sensor — tak tani i prosty w produkcji, że można go ręcznie narysować ołówkiem na papierze potraktowanym chlorkiem sodu — może utorować drogę dla noszonych, samozasilających się monitorów zdrowia. Te mogą posłużyć nie tylko w: „inteligentnych pieluchach”, ale także systemach, które pozwolą przewidzieć poważne problemy zdrowotne, takie jak zatrzymanie akcji serca czy zapalenie płuc. „Nasz zespół skupił się na opracowaniu urządzeń, które mogą rejestrować informacje istotne dla zdrowia ludzkiego” — powiedział Huanyu 'Larry' Cheng, profesor nadzwyczajny w Penn State. „Celem jest wczesne przewidywanie warunków chorobowych i sytuacji zdrowotnych, aby wykryć problemy, zanim będzie za późno”.

Cheng jest głównym autorem nowego badania opublikowanego w prestiżowym czasopiśmie: „Nano Letters”. Naukowcy opisują proces projektowania i wytwarzania niezawodnego, ręcznie rysowanego czujnika elektrodowego. Sensor jest tworzony za pomocą ołówka na papierze potraktowanym roztworem chlorku sodu. Czujnik nawodnienia jest bardzo czuły na zmiany wilgotności i zapewnia dokładne odczyty w szerokim zakresie poziomów względnych, od 5,6% do 90%. Badania nad sensorami do noszenia nabrały tempa ze względu na ich szerokie zastosowanie w medycynie, ostrzeganiu przed katastrofami i systemach wojskowych, wyjaśnił Cheng. Dodał, że elastyczne czujniki wilgotności stają się coraz bardziej potrzebne w opiece zdrowotnej do zastosowań takich jak monitorowanie oddechu i wykrywanie wilgotności skóry. Jednakże nadal trudno jest osiągnąć wysoką czułość i łatwą utylizację za pomocą prostych, tanich procesów produkcyjnych. „Chcieliśmy stworzyć coś niedrogiego, co stałoby się zrozumiałe dla ludzi i wiedzieliby, jak to zrobić i tego używać — a nie można uzyskać czegoś bardziej dostępnego niż ołówek i papier” — wskazał Li Yang, profesor w Szkole Sztucznej Inteligencji na chińskim Uniwersytecie Technologicznym w Hebei. „Nie trzeba mieć sprzętu wartego wiele milionów dolarów do produkcji. Wystarczy umieć wykreślić linie wstępnie narysowanej elektrody na obrabianym kawałku papieru. Można to wykonać w prosty i szybki sposób”.

Urządzenie wykorzystuje naturalną reakcję papieru na zmiany wilgotności i grafit w ołówku do interakcji z cząsteczkami wody i roztworem chlorku sodu. Gdy te przedostatnie są wchłaniane przez papier, roztwór ulega jonizacji, a elektrony zaczynają płynąć do grafitu w ołówku, uruchamiając czujnik. Ten wykrywa te zmiany wilgotności w otoczeniu i np. wysyła sygnał do smartfona, który wyświetla i zapisuje dane. Zasadniczo rysowanie na z góry przygotowanym papierze w ramach wstępnie obrobionych linii tworzy zminiaturyzowaną płytkę drukowaną. Papier można podłączyć do komputera za pomocą miedzianych drutów i przewodzącej pasty srebrnej, aby działał jako detektor wilgotności otoczenia. W zastosowaniach bezprzewodowych, takich jak: „inteligentne pieluchy” czy monitorowanie oddychania za pomocą maski, rysunek jest podpięty do małej baterii litowej, która zasila transmisję danych do smartfona przez Bluetooth. W przypadku monitora oddechu zespół pociągnął elektrodę bezpośrednio na maskę na twarz traktowaną roztworem. Czujnik z łatwością odróżniał zasysanie powietrza przez usta od takiego przez nos i mógł sklasyfikować trzy stany oddychania: głęboki, regularny i szybki. Cheng wyjaśnił, że zebrane dane można wykorzystać do wykrycia początku różnych faz chorobowych, takich jak zatrzymanie oddechu i duszność, a także zapewnić możliwości w inteligentnym Internecie Rzeczy i telemedycynie.



Naukowcy dodają, że częstość oddechów jest podstawowym parametrem życiowym, a badania wykazały, że staje się wczesnym wskaźnikiem wielorakich faz patologicznych, takich jak nagłe problemy z sercem, zapalenie płuc czy pogorszenie stanu klinicznego. Może również określać stresory emocjonalne, takie jak obciążenie poznawcze, ciepło, zimno, wysiłek fizyczny i zmęczenie wywołane aktywnością ruchową.

W porównaniu z oddechem, ludzka skóra wykazuje mniejsze zmiany wilgotności, ale naukowcy nadal byli w stanie wykryć takowe za pomocą omawianego czujnika, nawet po tym, jak badani zastosowali balsam lub ćwiczyli. Skóra jest największym organem ciała, wyjaśnił Cheng, więc jeśli nie przetwarza prawidłowo wilgoci, może to sugerować inny problem zdrowotny. „Różne rodzaje stanów chorobowych powodują odmienne tempo utraty wody na skórze” — oznajmił. „Skóra będzie funkcjonować inaczej w zależności od podstawowych warunków, które będziemy w stanie oznaczyć i ewentualnie scharakteryzować za pomocą sensora”.

Zespół zintegrował również cztery czujniki wilgotności między chłonnymi warstwami pieluchy, aby stworzyć: „inteligentną”, zdolną do wykrywania wilgoci i ostrzegania o zmianie. „Ta aplikacja zrodziła się z osobistych doświadczeń” — zakomunikował Cheng, który jest ojcem dwójki małych dzieci. „Nie ma łatwego sposobu, aby dowiedzieć się, jak mokre jest mokre, a ta informacja może być naprawdę cenna dla rodziców. Czujnik może dostarczać dane w krótkim okresie, ostrzegając o konieczności wymiany pieluchy, ale także w perspektywie długoterminowej, pokazując wzorce, które mogą zawiadamiać rodziców o ogólnym stanie zdrowia ich pociechy”.

Zastosowania czujnika wilgotności wykraczają jednakże poza: „inteligentne pieluchy” i monitorowanie oddychania czy pocenia się, jak wyjaśnił Cheng. Zespół zastosował również sensor jako bezkontaktowy przełącznik, który może wychwytywać zmiany wilgotności powietrza w obecności palca bez dosięgania do czujnika. Zespół użył przełącznika bezkontaktowego do obsługi małej windy, gry na klawiaturze i podświetlenia tablicy LED. „Atomy na palcu nie muszą dotykać przycisku, muszą tylko znajdować się blisko powierzchni, aby rozproszyć cząsteczki wody i wyzwolić sygnał” — powiedział Cheng. „Kiedy pomyślimy o tym, czego nauczyliśmy się z pandemii o potrzebie ograniczenia kontaktu ciała ze wspólnymi powierzchniami, taki czujnik może być ważnym narzędziem do powstrzymywania potencjalnego skażenia”.

Źródło: https://phys.org/news/2023-02-sensor-enables-smart-diapers-range.html