Революционный интеллектуальный датчик улучшает мониторинг раны за счет точного отслеживания температуры и деформации

Государственный инженерный колледж Пенсильвании, Юниверсити-Парк, Пенсильвания

Гибкий датчик, идеально подходящий для использования в организме человека, использует индуцированный лазером графен для одновременного, но раздельного измерения температуры и напряжения, что потенциально позволяет лучше контролировать заживление ран, обеспечивая более четкое представление о воспалении и восстановлении. (Изображение:Дженнифер М. Макканн)

Основной проблемой при разработке носимых датчиков с автономным питанием для мониторинга здравоохранения является различение разных сигналов, когда они возникают одновременно. Исследователи из Пенсильванского университета и Китайского технологического университета Хэбэй решили эту проблему, открыв новое свойство материала датчика, что позволило команде разработать новый тип гибкого датчика, который может точно измерять как температуру, так и физическую нагрузку одновременно, но по отдельности, чтобы более точно определять различные сигналы.

«Этот уникальный сенсорный материал, который мы разработали, имеет потенциально важное применение в мониторинге здравоохранения», — сказал Хуанью «Ларри» Ченг, доцент кафедры инженерных наук и механики (ESM) Мемориала Джеймса Л. Хендерсона-младшего (ESM) в Пенсильванском университете и соавтор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. "Точно измеряя как изменения температуры, так и физическую деформацию, или напряжение, создаваемое заживающей раной, и измеряя это путем разделения двух сигналов, можно совершить революцию в отслеживании заживления ран. Врачи смогут получить гораздо более четкую картину процесса заживления, выявляя такие проблемы, как воспаление, на ранних стадиях".

Исследователи стремились точно измерить сигналы температуры и деформации без перекрестных помех, используя лазерно-индуцированный графен (LIG), двумерный (2D) материал. Как и все двумерные материалы, включая обычный графен, лазерно-индуцированный графен имеет толщину от одного до нескольких атомов и обладает уникальными свойствами, но с изюминкой. Лазерно-индуцированный графен образуется, когда лазер нагревает определенные богатые углеродом материалы, такие как пластик или дерево, таким образом, что их поверхность преобразуется в графеновую структуру. По сути, лазер «записывает» графен непосредственно на материал, что делает его простым и масштабируемым способом создания графеновых рисунков для электроники, датчиков и энергетических устройств.

LIG ранее использовался в различных приложениях. Ранее Ченг и его команда использовали его для датчиков газа, электрохимических детекторов для анализа пота, суперконденсаторов и многого другого. Однако исследователи полагают, что обнаружили новое свойство LIG, которое делает его идеальным в качестве многоцелевого и точного датчика.

«В нашем исследовании мы как бы наткнулись на тот факт, что этот материал также обладает термоэлектрическими свойствами», — сказал Ченг. "Мы считаем, что впервые кто-либо сообщил о том, что графен, индуцированный лазером, обладает термоэлектрическими способностями. И это действительно важно для того, что мы пытаемся сделать здесь, а именно для отдельного измерения как изменений температуры, так и физического напряжения или деформации".

Термоэлектрические свойства материала относятся к способности преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение и наоборот, что позволяет использовать такие материалы для таких приложений, как сбор энергии и измерение температуры. По словам Ченга, это недавно обнаруженное термоэлектрическое свойство LIG позволяет легко разделить измерения двух датчиков, поэтому оно идеально подходит для медицинских применений, таких как датчик, встроенный в повязку.

«Когда у вас есть материалы, чувствительные как к температуре, так и к деформации, может быть сложно определить, какой сигнал вызван изменениями в материале», — сказал Ченг. "Но, используя этот термоэлектрический эффект в графене, индуцированном лазером, мы можем существенно разделить эти два измерения. Мы можем смотреть на электрическое сопротивление, чтобы получить информацию о деформации, а также измерять тепловое напряжение, чтобы определить температуру. Именно поэтому врачи могут использовать его для отслеживания как температурных колебаний, так и физических изменений в месте раны, и получить гораздо более четкое представление о том, как идет заживление".

Он также отметил, что датчик очень чувствителен и обнаруживает изменения температуры всего на 0,5 градуса Цельсия. В конструкции материала используется совместная работа пористого графена и термоэлектрических компонентов, благодаря чему он почти в четыре раза лучше преобразует тепло в электричество. Датчик также может растягиваться до 45 процентов, а также принимать различные формы и поверхности, не теряя при этом функциональности.

«Пористая структура этого материала создает множество крошечных пространств и каналов, которые позволяют ему очень чувствительно взаимодействовать с окружающей средой», — сказал Ченг. «Это делает его хорошо подходящим для взаимодействия с мягкими тканями человека, в отличие от более жестких термоэлектрических материалов, таких как материалы на керамической основе».

Поскольку термоэлектрический аспект LIG означает, что он может генерировать электроэнергию при наличии разницы температур, датчики LIG имеют автономное питание. По словам Ченга, это может быть особенно полезно для непрерывного мониторинга в клинических условиях и для других приложений, например, для обнаружения пожаров в удаленных местах.

Помимо доработки датчика, команда разрабатывает беспроводную систему, которая позволит людям удаленно отслеживать данные с датчика. Это позволит отслеживать важную информацию, такую как температура или напряжение, в режиме реального времени с помощью смартфонов или других устройств.

«Например, врач может следить за состоянием пациента на расстоянии, а службы экстренной помощи могут получать оповещения об опасных изменениях температуры», — сказал Ченг. «Эти достижения направлены на то, чтобы сделать технологию более доступной и эффективной, помогая улучшить мониторинг здоровья и безопасность в повседневных ситуациях».

Для получения дополнительной информации обращайтесь:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.