Революционный умный сенсор улучшает мониторинг ран с точным отслеживанием температуры и деформации

Колледж инженерии Пенн-стейт, Юниверсити-Парк, штат Пенсильвания

Гибкий сенсор, идеальный для использования в теле человека, использует лазерно-индуцированный графен для одновременного, но раздельного измерения температуры и деформации, потенциально обеспечивая лучший мониторинг заживления ран за счет более четких инсайтов во воспаление и восстановление. (Изображение: Jennifer M. McCann)

Вызов разделения сигналов в носимых сенсорах

Главная проблема в автономных носимых сенсорах для мониторинга здоровья — различение разных сигналов, когда они происходят одновременно. Исследователи из Пенн-стейт и китайского Университета технологий Хэбэй решили эту проблему, обнаружив новое свойство сенсорного материала, что позволило команде разработать новый тип гибкого сенсора, способного точно измерять и температуру, и физическую деформацию одновременно, но раздельно, для более точного определения различных сигналов.

«Этот уникальный сенсорный материал, который мы разработали, имеет потенциально важные приложения в мониторинге здравоохранения», — сказал Хуанью «Ларри» Чен, профессор инженерии науки и механики (ESM) в Пенн-стейт и соавтор-корреспондент исследования, опубликованного в Nature Communications. «Точно измеряя изменения температуры и физическую деформацию, или напряжение, создаваемую заживающей раной, и разделяя эти два сигнала, это может революционизировать отслеживание заживления ран. Врачи могли бы получить гораздо более четкую картину процесса заживления, выявляя проблемы, такие как воспаление, на ранней стадии».

Лазерно-индуцированный графен (LIG) и его термоэлектрические свойства

Исследователи стремились точно измерять температурные и деформационные сигналы без перекрестных помех, используя лазерно-индуцированный графен (LIG), двумерный (2D) материал. Как и все 2D-материалы, включая обычный графен, лазерно-индуцированный графен имеет толщину от одного до нескольких атомов с уникальными свойствами, но с изюминкой. Лазерно-индуцированный графен образуется, когда лазер нагревает определенные углеродсодержащие материалы — как пластик или дерево — способом, превращающим их поверхность в графеновую структуру. Лазер по сути «пишет» графен непосредственно на материале, делая его простым и масштабируемым способом производства графеновых узоров для электроники, сенсоров и энергетических устройств.

LIG ранее использовался в различных приложениях. Ранее Чен и его команда использовали его для газовых сенсоров, электрохимических детекторов для анализа пота, суперконденсаторов и многого другого. Однако исследователи считают, что они открыли новое свойство LIG, делающее его идеальным как многоцелевой и точный сенсор.

«В нашем исследовании мы случайно наткнулись на то, что этот материал также обладает термоэлектрическими свойствами», — сказал Чен. «Мы считаем, что это первый случай, когда сообщается о термоэлектрических способностях лазерно-индуцированного графена. И это действительно важно для того, что мы пытаемся сделать — раздельно измерять изменения температуры и физическую деформацию или напряжение».

Термоэлектрические свойства материала относятся к способности преобразовывать температурные различия в электрическое напряжение и наоборот, позволяя таким материалам использоваться для приложений вроде сбора энергии и температурного сенсирования. Согласно Чену, это вновь выявленное термоэлектрическое свойство LIG делает легким разделение двух сенсорных измерений, поэтому оно идеально для приложений здравоохранения, таких как сенсор, встроенный в бинт.

«Когда у вас есть материалы, чувствительные и к температуре, и к деформации, может быть сложно сказать, какой сигнал вызван изменениями в материале», — сказал Чен. «Но используя этот термоэлектрический эффект в лазерно-индуцированном графене, мы можем по сути разделить эти два измерения. Мы можем смотреть на электрическое сопротивление, чтобы получить информацию о деформации, одновременно измеряя термическое напряжение для определения температуры. Именно поэтому врачи могли бы использовать его для отслеживания как температурных флуктуаций, так и физических изменений в месте раны и получать гораздо более четкую картину того, как прогрессирует заживление».

Характеристики сенсора

Он также отметил, что сенсор высокочувствителен, обнаруживая изменения температуры всего в 0,5 градуса Цельсия. Конструкция материала использует способ, которым пористый графен и термоэлектрические компоненты работают вместе, делая его почти в четыре раза лучше в преобразовании тепла в электричество. Сенсор также может растягиваться до 45 процентов, а также соответствовать различным формам и поверхностям без потери функции.

«Пористая структура этого материала создает множество крошечных пространств и каналов, позволяющих ему взаимодействовать с окружающей средой очень чувствительным способом», — сказал Чен. «Это делает его хорошо подходящим для интерфейса с мягкими тканями человека, в отличие от более жестких термоэлектрических материалов, таких как керамика-основанные».

Поскольку термоэлектрический аспект LIG означает, что он может генерировать электрическую мощность при температурной разнице, LIG-сенсоры являются автономными. Согласно Чену, это может быть особенно полезно для непрерывного мониторинга в клинических условиях и для других приложений, таких как помощь в обнаружении пожаров в удаленных локациях.

Помимо уточнения сенсора, команда разрабатывает беспроводную систему, которая позволит людям мониторить данные с сенсора удаленно. Это сделает возможным отслеживание важной информации, такой как температура или деформация, в реальном времени с использованием смартфонов или других устройств.

«Например, врач мог бы мониторить состояние пациента на расстоянии, или спасатели могли бы получать оповещения об опасных температурных изменениях», — сказал Чен. «Эти достижения нацелены на то, чтобы сделать технологию более доступной и эффективной, помогая улучшить мониторинг здоровья и безопасность в повседневных ситуациях».

Для получения дополнительной информации свяжитесь по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it..