سنسورهای خود کار کلیدی برای نظارت دقیق تر و مداوم سلامت هستند —

چنگ از زمان پیوستن به دپارتمان علوم مهندسی و مکانیک ایالت پن در سال 2015، مولفه‌ها و رویکردهای جدیدی را برای توسعه دستگاه‌هایی مانند اسکنرهای سر پوشیدنی، نمایشگرهای گلوکز بدون سوزن، آنتن‌های پوشیدنی و لوازم الکترونیکی قابل چاپ مهندسی کرده است. این حسگرها که با وسایل الکترونیکی انعطاف‌پذیر ساخته شده‌اند، می‌توانند حرکات فیزیکی و سیگنال‌های شیمیایی بیماران را در عرق، پوست و موارد دیگر نظارت کنند تا به تشخیص یا اطلاع‌رسانی برنامه‌های درمانی کمک کنند.

اکنون چنگ در تلاش است تا دستگاه‌ها را پایدار، انعطاف‌پذیر و خود شارژ شوند.

به گفته چنگ، شرکای صنعتی از رشته های مختلف تقاضا برای نوآوری در لوازم الکترونیکی پوشیدنی را تشخیص می دهند و مایل به سرمایه گذاری هستند. در دسامبر 2021، Meta Reality Labs، شعبه توسعه فناوری فیس بوک، 150000 دلار بودجه نامحدود به چنگ برای پیشبرد سیستم های زیست تخریب پذیر، قابل کشش و تولید انرژی اهدا کرد.

چنگ “نیاز زیادی به حسگرهای سازگار با محیط زیست و خود شارژ وجود دارد که می توانند علائم حیاتی بیماران را بدون ایجاد استرس فیزیکی یا مالی کنترل کنند – و ما در حال یافتن این راه حل ها هستیم که می توانند برای طیف گسترده ای از چالش ها اعمال شوند.” گفت. “برنامه تحقیقاتی من بر درک تعاملات و محدودیت های مواد مختلف با هدف ساخت روش ها و دستگاه های جدید برای رسیدگی به این مسائل متمرکز است.”

پوشیدنی های قابل شارژ و خود کار

توسعه حسگرهای انعطاف پذیر و اقتصادی یک چیز است. نیرو دادن به آنها چیز دیگری است. به گفته چنگ، اگرچه واحدهای برق خودشارژ برای برداشت‌کننده‌های انرژی کششی در حال حاضر وجود دارد، اما ساخت آن‌ها گران است، حمل آن سنگین است و از قدرت خروجی کم و ناپایدار رنج می‌برد.

با این حال، مواد مبتنی بر گرافن سبک و ریز هستند. گرافن از یک لایه منفرد از اتم های کربن که به صورت شش ضلعی مرتب شده اند تشکیل شده است. با استفاده از لیزر، سازندگان می توانند فوم های لایه ای گرافن را در اشکال مختلف با هزینه کم ایجاد کنند. هنگامی که گرافن به درستی شکل بگیرد، می تواند انرژی را از حرکت، مانند حرکات بدن انسان، برداشت کند و آن را به عنوان انرژی الکتریکی در میکرو ابرخازن ها ذخیره کند.

چنگ و تیمش از این فناوری برای تولید یک مانیتور سلامتی متخلخل مبتنی بر فوم گرافن، خود نیرو و قابل کشش استفاده کردند. آنها جزئیات را امروز (1 فوریه) در بررسی فیزیک کاربردی.

مانند انواع دیگر سنسورهای پوشیدنی، این دستگاه خود تغذیه می تواند علائم حیاتی کاربران مانند نبض، دما، نوار قلب، فشار خون و اکسیژن خون را اندازه گیری کند. چنگ گفت تفاوت این است که سنسور به منبع تغذیه سیمی یا شارژر نیاز ندارد.

چنگ با اشاره به اینکه بلوتوث یا انتقال رادیویی داده ها می تواند به طور کامل حس سیمی را از بین ببرد، گفت: “در حین نظارت بر سیگنال های مختلف، دستگاه انرژی را از حرکات بدن، در نوعی حلقه بازخورد بسته جمع آوری می کند.” “این یک سیستم کاملاً یکپارچه است که بر اساس همان روش‌های تولید ساده، کم‌هزینه و مقیاس‌پذیر است که ما برای توسعه اجزای نظارت فردی به کار می‌گیریم.”

چنگ گفت: این رویکرد چندین کاربرد بالقوه دارد – از جمله فراتر از انسان – مانند ردیابی حرکات حیات وحش مانند خفاش ها یا فوک ها. حرکات حیوانات می تواند به طور مداوم دستگاه را شارژ کند.

چنگ گفت: «ما چندین مورد از پیشرفت‌های قبلی خود را برای ساختن این سیستم کامل گنجانده‌ایم – اما کارمان تمام نشده است. ما می‌خواهیم هر جزء از این سیستم‌ها را تا حد امکان اقتصادی، پایدار و مقاوم کنیم.»

در همین راستا، چنگ و تیم او همچنین دو مقاله اخیر منتشر کرده‌اند که جزئیات پیشرفت‌ها در رویکردهای کارآمدتر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و تجدیدپذیر برای بهبود حسگرها و کاربردهای آن‌ها را شرح می‌دهد.

از دستمال کاغذی گرفته تا خوانش فشار

دستمال کاغذی هدایا را تزئین می کند، از اقلام شکستنی محافظت می کند و به لطف چنگ و تیمش، فشار خون و شرایط تنفسی را کنترل می کند.

در ماه دسامبر، چنگ مقاله ای را منتشر کرد مواد و رابط های کاربردی ACS روی یک سنسور پوشیدنی که فشار خون و حرکت را با استفاده از یک چسب پوستی کوچک ساخته شده از دستمال کاغذی ارزان قیمت و در دسترس تشخیص می‌دهد.

این دستگاه با فرو بردن یک تکه دستمال کاغذی در مواد رسانا ایجاد می‌شود، که سپس برای ایجاد یک داربست سه بعدی تحت فشار قرار می‌گیرد و برای تبدیل شدن به حسگری که به پوست می‌چسبد، محصور می‌شود.

دستگاه بی‌سیم به راحتی به ساعد کاربر می‌چسبد و با اندازه‌گیری اتساع و انقباض یک رگ خونی در مچ دست، فشار خون را می‌خواند. به گفته چنگ، استفاده از این دستگاه بسیار کوچکتر و آسانتر از فشار سنج معمولی است که از یک کاف برای حفظ فشار به بازو استفاده می کند تا یک بار اندازه گیری کند.

چنگ می‌گوید: «در بیمارستان، یک کاف فشار خون بیماران را هنگامی که می‌خواهند بخوابند از خواب بیدار می‌کند. این دستگاه امکان نظارت مستمر و از راه دور را در 24 ساعت شبانه روز فراهم می کند.

این دستگاه داده‌های مربوط به فشار خون، ضربان قلب و فعالیت قلبی را جمع‌آوری می‌کند که می‌تواند از طریق یک برنامه هوشمند بلوتوث برای ارائه‌دهنده مراقبت‌های بهداشتی ارسال شود.

این دستگاه همچنین ضربان و حرکت بدن را از طریق خوانش فشار اندازه گیری می کند، که امکان اندازه گیری حرکات خاص را فراهم می کند، مانند دامنه حرکت برای مفصل. چنگ گفت که این داده‌ها همچنین می‌توانند حرکات سالم مانند حرکات دست را در حین گفتار ردیابی کنند تا به پروتزهای روباتیکی که هوش مصنوعی را در خود جای داده‌اند اطلاع دهند.

چنگ گفت: «روش تولید مبتنی بر فشار آسان و کم هزینه است. تمام مواد، مانند نقره موجود در حسگرها، پس از دور انداختن دستگاه قابل بازیافت هستند و به راحتی در دسترس هستند.

سنسور به اندازه‌ای سبک است که راحت باشد، اما به اندازه‌ای بادوام است که وقتی کاربر در حال دویدن یا عرق کردن است، آن را نگه دارد. محققان همچنین برای نظارت از راه دور شرایط تنفسی، از جمله ناهنجاری‌های بالقوه برای تشخیص زودهنگام شرایط اضطراری مانند مصرف بیش از حد مواد افیونی، این حسگر را در یک ماسک صورت قرار دادند.

در تحقیقات آتی، چنگ گفت که در صورت شناسایی علائم خاص، در مورد تزریق دارو از طریق دستگاه تحقیق خواهد کرد.

چنگ گفت: “تکرار دستگاه در آینده می تواند مصرف بیش از حد دارو را در زمان واقعی تشخیص دهد و نالوکسان را تجویز کند و جان یک کاربر را نجات دهد.”

یک سنسور برای محیط های مرطوب

چنگ گفت: اکثر حسگرهای پوشیدنی از مواد فوق آبگریز برای دفع آب استفاده می کنند، اما انعطاف پذیری محدودی دارند و اغلب در محیط های مرطوب به سرعت تخریب می شوند – یک مشکل عمده در بیمارستان های صحرایی یا سایر مراکز پزشکی بدون کنترل آب و هوا.

برای حل این مشکل، آزمایشگاه چنگ مواد فوق آبگریز را با گرمایش ژول ترکیب کرد، جایی که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می‌کند تا گرما تولید کند. گرما مقاومت مداوم در برابر رطوبت را حتی زمانی که سنسور در محیطی با رطوبت 99 درصد قرار دارد، ایجاد می کند.

نتیجه یک سنسور فشار انعطاف پذیر جدید است که قادر است درجات بالایی از رطوبت را تحمل کند. جزئیات قبل از شماره ماه مارس مجله مهندسی شیمی به صورت آنلاین در دسترس قرار گرفت.

حسگر چنگ از یک فلز انتقالی و آلژینات سدیم ساخته شده است، یک ماده غذایی که از جلبک ها استخراج می شود، که به دستگاه اجازه می دهد تا قطرات بزرگ آب را مانند گیاه نیلوفر آبی در طبیعت دفع کند.

چنگ می‌گوید: «قطرات آب روی برگ‌های نیلوفر آبی به راحتی می‌ریزند و اطمینان می‌دهند که آب نمی‌تواند جمع شود.»

به گفته چنگ، با مواد بادوام و گرمای ثابت، حسگر می‌تواند علائم حیاتی کاربر را حتی در «سناریوهای استفاده شدید»، مانند زمانی که کاربران هنگام دویدن، دوچرخه‌سواری یا آفتاب گرفتن عرق می‌کنند، نظارت کند.

چنگ علیرغم تمام اکتشافات و پیشرفت های متعددش، هنوز تمام نشده است. تیم تحقیقاتی او به تغییر حوزه تجهیزات پزشکی پوشیدنی ادامه خواهد داد.

چنگ می‌گوید: «ما نمی‌دانیم الهام از کجا می‌آید – دستمال کاغذی، گیاهان نیلوفر آبی، قدرت حرکت و موارد دیگر، همگی منابع مفیدی هستند. تیم ما از کشف تا تحقیق تا کاربرد، از چالش ایجاد نسل بعدی دستگاه‌های پزشکی لذت می‌برد.