Сопряженная с кожей носимая электроника привлекла значительное внимание благодаря своей уникальной роли в профилактическом мониторинге, диагностическом подтверждении и удобных терапевтических вариантах. Конечное применение этих проинтегрированных устройств для практических и удобных применений зависит от бесшовной интеграции встроенных датчиков с модулями беспроводной передачи данных.
Многофункциональные датчики на теле могут точно и непрерывно контролировать состояние здоровья человеческого тела, в то время как беспроводные модули передачи могут по беспроводной сети включать датчики и передавать полученные от них данные в облако для медицинских работников.
В качестве перспективного направления развития этого класса интегрированных систем сенсорные сети soft body area включают в себя встроенные датчики для мониторинга физиологических сигналов и гибкие печатные платы (FPCBs) для формирования/считывания сигналов и беспроводной передачи.
Реализация сенсорных сетей мягких тел в настоящее время опирается на различные сложные технологии изготовления, начиная от литографии и трансферной печати и заканчивая прямой печатью, особенно когда растягивающиеся датчики отделены от схем считывания.
Обширные исследовательские усилия были посвящены изучению интеграции носимой электроники на бумаге / ткани или человеческой коже. Однако до сих пор отсутствовал простой, но универсальный подход к изготовлению всех модулей, относящихся к сенсорной сети soft body area, из-за сложных требований низкотемпературной обработки текстурированных поверхностей с возможностью легкого удаления.
Поскольку традиционные методы в этой области требуют дорогостоящего оборудования и сложных процедур, а также увеличивают электронные отходы, еще более насущной является разработка новой технологии изготовления для решения всех этих проблем.
Международная исследовательская группа из Пенсильванского государственного университета и Харбинского технологического института сделала именно это и теперь сообщает о простой, но универсально применимой технологии изготовления сенсоров с кожным покрытием.
Эта работа описана в ACS Applied Materials & Interfaces (носимые схемы, спеченные при комнатной температуре непосредственно на поверхности кожи для мониторинга здоровья).
Одним из основных нововведений в нашей работе является разработка и демонстрация Роман спекающая добавка слоя, чтобы позволить прямой печати и при комнатной температуре спекания различных металлических красок для построения бумажной/тканевой основе FPCBs и на теле датчики, указание Бен, доцент кафедры инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания материалов научно-исследовательского института, сообщает Nanowerk. Этот метод позволяет спекать металлические наночастицы при низких или даже комнатных температурах, по сравнению с несколькими сотнями градусов Цельсия в альтернативных подходах.
Схема изготовления этой группы основана на агломерационном вспомогательном слое, состоящем из клейкой пасты из поливинилового спирта (ПВА) и Нонна Алитов (например, TiO2 или Ca CO3 и др.).
Они объясняют, что ранее опубликованная литература указывает на то, что температура спекания наночастиц серебра снижается со 180 С 120 С, когда чернила наночастиц серебра спекаются на высокотемпературной устойчивой бумаге, включающей TiO2 в качестве основного компонента:
Поэтому мы начали наше исследование с выбора добавки TiO 2, поскольку она способствует снижению температуры спекания от нейтрализации заряда до снижения энергии активации для усиленного спекания.
Поскольку катионные группы необходимы для нейтрализации заряда, мы выбрали несколько других оксидов металлов (Al2O3, MgO), соли (CaCO3, BaTiO3) и металл (Cu) в качестве добавок для демонстрации этой концепции. При использовании добавки CaCO 3 температура спекания дополнительно снижается до комнатной температуры.
Мы связываем пониженную температуру спекания наночастиц серебра с использованием вспомогательного слоя спекания с повышенным коэффициентом зерно граничной диффузии от нейтрализации заряда, который выявлен экспериментом и моделированием фазового поля, объясняет Бен. Вспомогательный слой спекания также уменьшает шероховатость поверхности различных подложек, позволяя печатать ультратонкий слой металлических узоров с улучшенными электромеханическими характеристиками против различных механических деформаций, таких как изгиб или складывание.
Исследователи применили свою схему изготовления для включения датчиков с кожной печатью для мониторинга физиологических сигналов, а также бумажных/тканевых FPCBs для формирования сигнала/считывания и беспроводной передачи.
Чтобы проиллюстрировать пример своей техники на системном уровне, они интегрировали различные датчики на теле с FPCB, как показано ниже.
Электронная система состоит из датчиков-непосредственно напечатанных на различных участках человеческого тела – для измерения жизненно важных сигналов, коммерческих готовых чипов для расширенного сбора и обработки данных, беспроводных модулей передачи данных и мощности, а также бумажных/тканевых ПЛИС для системной интеграции.
Мы продемонстрировали, что наши высокоэффективные датчики, напечатанные на коже, могут точно и непрерывно фиксировать температуру, влажность или локальное изменение влажности, насыщение крови кислородом, электрофизиологические сигналы, такие как электрокардиограмма и электронография, отмечает Бен. С улучшенным качеством сигнала и улучшенной производительностью по сравнению с их коммерческими аналогами, эти датчики с печатью кожи вместе с другими расширенными модулями обеспечивают репертуар носимой электроники для мониторинга здоровья.
Кроме того, и это очень актуально в настоящее время, добавляет он, -эта система с модулями датчиков на теле для мониторинга физиологических сигналов и беспроводной передачи может быть применена для сигнализации прогрессирования и тяжести заболевания у пациентов COVID-19.
Когда широкомасштабное внедрение такого рода носимых устройств становится частью нашей повседневной жизни, удаление и экологически совместимая утилизация становятся проблемой. С этой целью исследователи продемонстрировали, что о мытье рук в потоке теплой воды удобно удаляет устройство с кожи.
Кроме того, материалы, используемые в системе устройств, являются биосовместимыми с минимальной токсичностью, что позволяет использовать их для зеленой электроники, ибо интегрированной электроники или даже имплантируемых устройств.
Бен и его коллеги теперь заинтересованы в применении этой многофункциональной, носимой сенсорной технологии для диагностического подтверждения и своевременного лечения сердечно-легочных заболеваний, включая КОВИД-19, пневмонию и фиброзные заболевания легких.
Они указывают, что при отличных электромеханических и подводных характеристиках эта технология зондирования может также использоваться для отслеживания и мониторинга морских млекопитающих.
Отличные подводные характеристики с герметичной герметизацией, по-видимому, противоречат требованию необходимости газо-и водопроницаемого устройства для длительного комфортного ношения, отмечает Бен. Однако мы исследуем новый спекающий слой в пористой структуре с селективной инкапсуляцией, чтобы решить эту проблему. Эта конструкция может быть дополнительно объединена с продемонстрированной стабильной производительностью устройства после замачивания в воде.
Настоящая работа является лишь одним из примеров центральной направленности этой исследовательской группы, которая сосредоточена на автономных, беспроводных, многофункциональных системах, изготовленных с использованием недорогих технологий.
Для автономных устройств один из их проектов фокусируется на растягивающихся ректонах для сбора окружающей радиочастотной энергии для зарядки батарей или питания электроники. Многофункциональный аспект также приводит их к работе над растягивающимися газовыми датчиками для обнаружения газовых биомаркеров из человеческого тела и окружающей среды.
Другой проект включает альтернативные недорогие методы изготовления, которые позволяют непосредственно изготавливать биоразлагаемые и долговечные датчики на 3D криволинейных поверхностях свободной формы.
Логическое расширение этих различных областей работы включает в себя сочетание носимых устройств с анализом больших данных для будущей медицинской информатики.
Междисциплинарный характер этих разнообразных будущих направлений требует совместных усилий клиницистов и инженеров с различным опытом работы, чтобы помочь быстрому развитию в этой растущей области, заключает Бен.