Ультратонкий и прочный наносетчатый датчик для мониторинга естественных движений кожи

Комфортные тензодатчики, размещаемые непосредственно на коже человека, позволяют отслеживать непрерывную двигательную активность. Это имеет широкое применение в робототехнике, детекции движений человека и персональном здравоохранении. Однако создание кожного тензодатчика для долгосрочного мониторинга движений тела, не нарушающего естественные движения кожи, является сложной задачей.

В новом отчете в Science Advances Янь Ван и команда ученых в области электротехники из Токийского университета и Центра науки о возникающей материи в Японии представили ультратонкий и прочный наносетчатый тензодатчик. Устройство позволяет непрерывно отслеживать двигательную активность, сводя к минимуму механические ограничения для естественных движений кожи.

Инженерия наносетки

Исследователи создали устройство, используя армированные полиуретан-полидиметилсилоксановые (PU-PDMS) наносетки, что обеспечило отличную устойчивость и долговечность. Геометрия и мягкость устройства обеспечивают минимальное механическое воздействие на естественные деформации кожи.

Разработка и характеристика наносеток:

  1. Методом электроспиннинга создавались длинные нановолокна PU, формирующие основу проницаемого сенсора.
  2. Затем лист нановолокон PU погружали в разбавленный раствор PDMS, в результате чего нановолокна образовывали случайные пучки, окруженные PDMS.
  3. Материал подвергали мягкому воздействию ультрафиолетового (UV) озона для отверждения поверхности и повышения ее гидрофильности (смачиваемости) в целях биосовместимости.
  4. Устройство завершалось нанесением золота с обеих сторон.

Покрытие PDMS усилило взаимосвязь между нановолокнами, улучшив структурную целостность. Механическая прочность самостоятельной PU-PDMS наносетки значительно возросла, увеличив ее растяжимость по сравнению с чистым листом нановолокон.

Программируемая растяжимость и чувствительность

Разрабатывая различные структуры наносеток путем изменения концентрации PDMS, ученые получили тензодатчики с разной чувствительностью и растяжимостью. Коэффициент тензочувствительности (GF) определялся как отношение относительного изменения электрического сопротивления к относительному изменению длины. Разные сетчатые структуры показали разную растяжимость и GF. Разбавляя раствор PDMS, можно эффективно программировать наносетчатые датчики с различными характеристиками.

Электромеханическая устойчивость, надежность и долговечность

  • При нагрузке в 40% в течение 12 часов устройство показало устойчивость.
  • Удельное поверхностное сопротивление наносетки PU-PDMS оставалось стабильным в течение 100 дней хранения в обычных условиях благодаря инертной золотой поверхности.
  • В циклических испытаниях на растяжение/расслабление (до 10 000 циклов) наносетки PU-PDMS показали равномерную работу и превзошли по долговечности аналоги из поливинилового спирта (PVA), чистого PU и PU с покрытием париленом.

Практическое применение в качестве кожного датчика

Мониторинг речи:

После нанесения на кожу (с помощью водяного тумана для адгезии) датчики были едва ощутимы для испытуемого. При артикуляции звуков "a", "o" и "u" наносетчатые датчики на правой стороне лица показали значения деформации (18.3–23.6%), сопоставимые с референсными маркерами на левой стороне (17.5–25%). Это демонстрирует симметричное распределение деформации кожи и минимальное механическое ограничение со стороны наноустройств. Конформные наносетки можно было носить без дискомфорта до 3.5 часов.

Другие применения:

  1. Пульс: Датчик на запястье детектировал тонкие деформации кожи, вызванные пульсом, позволяя в реальном времени отслеживать амплитуду и частоту до и после физических упражнений.
  2. Движения суставов: Устройство сохраняло высокую линейную растяжимость для детекции крупных сгибательных движений суставов, демонстрируя отличную совместимость с кожей без разрушения или отслоения.

Перспективы

Наносетки PU-PDMS, разработанные в этой работе, тоньше и более растяжимы, чем предыдущие версии команды. Их механическая долговечность является ключевой для долгосрочного высокоточного мониторинга кожи в реальном времени. Такие датчики подходят для удаленного мониторинга здоровья, отслеживания результатов в спорте на выносливость и использования в качестве кожных интерфейсов для протезов.

В будущем золотое покрытие можно заменить более экономичными проводящими наноматериалами. Ученые предполагают, что такие конструкции станут основой для футуристической накожной или имплантируемой электроники для повседневного мониторинга здоровья.