Σύνοψη
- Μηχανικοί του Penn State ανέπτυξαν μια αγώγιμη μελάνη (inktelligent) που λειτουργεί ως φορετός ιατρικός αισθητήρας.
- Εφαρμόζεται απευθείας στο δέρμα, στεγνώνει σε λιγότερο από 10 λεπτά και παρακάμπτει το πρόβλημα των κενών αέρα που έχουν τα παραδοσιακά ηλεκτρόδια.
- Καταγράφει με υψηλή κλινική ακρίβεια καρδιακή (ECG), μυϊκή (EMG) και εγκεφαλική (EEG) δραστηριότητα.
- Η βαφή είναι φιλική προς το δέρμα, μπορεί να χρωματιστεί με απλό χρώμα ζαχαροπλαστικής για προσωποποιημένα σχέδια (εξαιρετικά χρήσιμο για παιδιατρική χρήση) και αφαιρείται εύκολα με πλύσιμο.
- Επιτρέπει την ασύρματη μετάδοση δεδομένων (Bluetooth) χάρη στην πρωτοποριακή σύνδεσή της με ένα πορώδες, ασημένιο ύφασμα.
Η παρακολούθηση βιομετρικών δεδομένων σε κλινικό επίπεδο βασίζεται ιστορικά σε άκαμπτα, μεταλλικά ηλεκτρόδια ή αισθητήρες από υδροτζέλ. Τα συγκεκριμένα συστήματα εξασφαλίζουν ανθεκτικότητα, ωστόσο υστερούν σημαντικά στην εργονομία και την προσαρμοστικότητα, καθώς το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται σε συνεχή κίνηση, το δέρμα εκκρίνει ιδρώτα και η τριχοφυΐα δημιουργεί φυσικά εμπόδια.
Ερευνητές και μηχανικοί από το Πανεπιστήμιο Penn State παρουσίασαν μια τεχνολογική λύση που καταρρίπτει τα παραπάνω κατασκευαστικά όρια. Πρόκειται για τα "inktelligent" ηλεκτρόδια, μια αγώγιμη μελάνη που εφαρμόζεται στο δέρμα με τη μορφή βαφής και λειτουργεί ως ένας υπερ-ευαίσθητος ιατρικός αισθητήρας.
Η έρευνα εστιάζει στη δημιουργία φορετών συστημάτων (wearables) επόμενης γενιάς. Η ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Larry Cheng και την ερευνήτρια Wanqing Zhang, κατάφερε να συνδυάσει την επιστήμη των υλικών με τις ανάγκες της σύγχρονης τηλεμετρίας, αντικαθιστώντας τα παραδοσιακά αυτοκόλλητα patch με ένα υγρό διάλυμα που στερεοποιείται πάνω στο ανθρώπινο σώμα.
Τι είναι οι «Inktelligent» αισθητήρες και πώς λειτουργούν;
Οι αισθητήρες «inktelligent» είναι εύκαμπτα, βαφόμενα ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από ένα υδατικό διάλυμα αγώγιμων πολυμερών (πλαστικών) και όξινων πρόσθετων. Εφαρμόζονται στο δέρμα σαν απλή βαφή, στεγνώνουν σε λιγότερο από 10 λεπτά και ενσωματώνονται στην επιφάνεια καταργώντας τα κενά αέρα. Καταγράφουν βιομετρικά σήματα (ECG, EMG, EEG) με κορυφαία ακρίβεια και μεταδίδουν τα δεδομένα ασύρματα.
Τα εμπορικά διαθέσιμα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται εργοστασιακά με σταθερές προδιαγραφές. Όταν τοποθετούνται στο ανθρώπινο σώμα, η επίπεδη και άκαμπτη φύση τους έρχεται σε άμεση αντίθεση με την ανομοιόμορφη μικρο-τοπολογία του δέρματος. Αυτή η μηχανική ασυμβατότητα δημιουργεί μικροσκοπικά κενά αέρα μεταξύ του αισθητήρα και της επιδερμίδας. Ο αέρας λειτουργεί ως μονωτής, υποβαθμίζοντας δομικά την ποιότητα του ηλεκτρικού σήματος που προσπαθεί να καταγράψει η συσκευή, ενώ το πρόβλημα πολλαπλασιάζεται όταν παρεμβάλλεται τρίχωμα ή έντονος ιδρώτας. Τα αγώγιμα υδροτζέλ που χρησιμοποιούνται συνήθως στα νοσοκομεία για τη βελτίωση της επαφής τείνουν να στεγνώνουν γρήγορα, καθιστώντας τα ηλεκτρόδια άχρηστα για συνεχή, πολυήμερη παρακολούθηση.
Η προσέγγιση της αγώγιμης μελάνης του Penn State παρακάμπτει πλήρως το πρόβλημα της εφαρμογής, επειδή η τοποθέτηση γίνεται σε υγρή μορφή. Η μελάνη ρέει και γεμίζει τις φυσικές αυλακώσεις του δέρματος, αγκαλιάζοντας τους θύλακες των τριχών αντί να στηρίζεται πάνω τους, με αποτέλεσμα μόλις το υλικό στεγνώσει, μετατρέπεται σε ένα εξαιρετικά λεπτό, εύκαμπτο ηλεκτρόδιο το οποίο ακολουθεί με ακρίβεια τις ελαστικές παραμορφώσεις της επιδερμίδας, χωρίς να αποκολλάται με την κίνηση.
Ενσωμάτωση υλικού και ασύρματη μετάδοση
Η καταγραφή των ηλεκτρικών σημάτων του σώματος είναι μόνο το πρώτο στάδιο. Για να καταστούν τα δεδομένα αξιοποιήσιμα, το hardware πρέπει να μεταδώσει την πληροφορία και γι’ αυτό, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια μηχανική «γέφυρα» επικοινωνίας μεταξύ του βαμμένου ηλεκτροδίου και του υλικού μετάδοσης.
Πάνω στο δέρμα τοποθετείται αρχικά ένα μικρό, πορώδες ασημένιο ύφασμα. Η υγρή αγώγιμη μελάνη βάφεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτει εν μέρει το δέρμα και εν μέρει το ύφασμα. Καθώς το υλικό πολυμερίζεται και σκληραίνει, «κλειδώνει» το ύφασμα πάνω στο δέρμα, δημιουργώντας μια αδιάλειπτη ηλεκτρική σύνδεση. Η πορώδης δομή του υφάσματος επιτρέπει στον ιδρώτα να εξατμίζεται, αποτρέποντας δερματικούς ερεθισμούς κατά την έντονη σωματική άσκηση. Το ελεύθερο άκρο αυτού του υφάσματος κουμπώνει στη συνέχεια σε μια εξωτερική ασύρματη πλακέτα μεγέθους νομίσματος (Bluetooth module), η οποία κρύβεται εύκολα κάτω από τα ρούχα του ασθενούς. Το module αναλαμβάνει να ψηφιοποιήσει το αναλογικό σήμα και να το στείλει σε πραγματικό χρόνο στο smartphone ή τον υπολογιστή.
Εφαρμογές: Από το ηλεκτροκαρδιογράφημα στον έλεγχο ρομποτικών άκρων
Στις δοκιμές της, η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στην καταγραφή τριών βασικών ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων. Κατά τη διάρκεια ενός πειράματος 12 ωρών, ο αισθητήρας κατέγραψε δεδομένα ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ECG) κλινικής ποιότητας, ενώ ο εθελοντής εκτελούσε καθημερινές δραστηριότητες, συμπεριλαμβανομένης έντονης σωματικής άσκησης (τρέξιμο, καθίσματα, κάμψεις δικεφάλων). Τα σήματα παρέμειναν απολύτως σταθερά, χωρίς τις παραμορφώσεις που παρατηρούνται όταν τα κλασικά αυτοκόλλητα patches χάνουν την πρόσφυσή τους λόγω εφίδρωσης.
Στο πεδίο των ηλεκτρομυογραφημάτων (EMG), τα βαφόμενα ηλεκτρόδια αποδείχθηκαν ικανά να εντοπίσουν τις απειροελάχιστες ηλεκτρικές παρορμήσεις των μυών του αντιβραχίου. Το σύστημα τροφοδοτήθηκε σε ένα ρομποτικό προσθετικό άκρο και χάρη στη μηχανική μάθηση, ο χρήστης κατάφερε να κλείσει και να ανοίξει τη ρομποτική παλάμη ασύρματα, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά τις συσπάσεις του δικού του χεριού χωρίς να ακουμπά τον μηχανισμό.
Προσωποποίηση, παιδιατρική χρήση και το μέλλον των αισθητήρων
Η μελάνη στην αρχική της μορφή είναι σχεδόν διάφανη. Η ομάδα του Penn State διαπίστωσε ότι η προσθήκη κοινού χρώματος ζαχαροπλαστικής επιτρέπει την απόλυτη χρωματική προσωποποίηση. Τα ηλεκτρόδια μπορούν να βαφτούν στο δέρμα με τη μορφή σχεδίων, χαρακτήρων (π.χ. Superman) ή αφηρημένων μοτίβων.
Τα εμφανή ιατρικά αυτοκόλλητα δημιουργούν συχνά το αίσθημα του στιγματισμού, ειδικά σε παιδιά και εφήβους που υποβάλλονται σε μακροχρόνια παρακολούθηση. Αντί για ιατρικό, μπεζ εξοπλισμό, ο γιατρός μπορεί να ζωγραφίσει τα ηλεκτρόδια χρησιμοποιώντας πολύχρωμα σχέδια, μετατρέποντας τη διαδικασία σε παιχνίδι. Όταν η εξέταση ολοκληρωθεί, το υλικό αφαιρείται απλώς με λίγο ζεστό νερό.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα μελλοντικά σχέδια περιλαμβάνουν την επέκταση της μελάνης στην ανίχνευση χημικών βιοδεικτών, όπως τα επίπεδα γλυκόζης για τον διαβήτη ή η κορτιζόλη ως δείκτης στρες, μετατρέποντας το inktelligent σύστημα σε ένα πολυπαραμετρικό, φθηνό εργαστήριο πάνω στο ανθρώπινο δέρμα.
