Только в прошлом году мы узнали, что ученые из Стэнфордского университета разработали датчик, который измеряет стресс через уровень кортизола в поте. Теперь исследователи из того же института создали аналогичный датчик, который отслеживает другие жизненно важные параметры.
Известная как BodyNet, новая технология была разработана командой во главе с профессором - химиком Чжэнань Бао. Эта технология , ранее принесла нам такие инновации, как сенсорная кожа робота, имплантируемый датчик кровотока, который растворяется, когда больше не нужен, и биодеградируемый полупроводник для уменьшения электронных отходов.
Сеть датчиков площади тела bodyNET представляет собой набор сетевых датчиков, которые могут быть использованы для мониторинга физиологических сигналов человека. Для его применения в персонализированных системах здравоохранения следующего поколения требуется бесшовная гибридизация растягивающихся датчиков на коже и жестких кремниевых схем считывания. BodyNET, состоящем из безбатарейных растяжимых на коже сенсорных меток, которые беспроводно связаны с гибкими схемами считывания, прикрепленными к текстилю. Данная конструкция предлагает конформный интерфейс путем извлечения всех контактов сразу между твердым механически, вопрос несовместимости между мягкими нательными компонентами и человеческим телом. Поэтому, эта конструкция обоснована приборами и твердой высокопроизводительной электроникой кремния. Кроме того, мы вводим нетрадиционную технологию радиочастотной идентификации, в которой беспроводные датчики преднамеренно отключаются для повышения толерантности к вызванным деформацией изменениям электронных свойств. Наконец, мы показываем, что наша мягкая система bodyNET может быть использована для одновременного и непрерывного анализа пульса, дыхания и движения тела человека.
В лабораторных тестах несколько устройств были прикреплены к запястью и животу испытуемого, где они точно измеряли пульс и частоту дыхания человека, обнаруживая расширение и сокращение их кожи. Кроме того, датчики на локтях и коленях, были в состоянии отслеживать движение этих частей тела, измеряя натяжение или расслабление кожи каждый раз, когда соответствующая мышца сгибалась.
Данные собираются с датчиков BodyNet с помощью отдельного считывателя RFID, который временно включает устройства, используя свой собственный радиосигнал. Носимые датчики сами по себе не содержат батарей или других жестких компонентов.
В настоящее время один считыватель должен быть прикреплен к одежде пользователя поверх каждого датчика. Однако в будущем можно надеяться, что вместо этого можно будет использовать один кусок "умной" одежды с RFID-считыванием – с антеннами, вплетенными в ткань. Он будет периодически передавать данные датчика на соседний компьютер, смартфон или планшет через Bluetooth.
В конечном счете, как только он способен измерять дополнительные жизненно важные показатели, такие как температура тела, технология BodyNet может найти применение в неразрушающем мониторинге пациентов с нарушениями сна или сердечными заболеваниями или в оценке спортсменов, желающих оптимизировать свою работу.
16 августа 2019 года
Инженеры Стэнфорда разработали беспроводные датчики, которые прилипают к коже, чтобы отслеживать наше здоровье
Инженеры Стэнфорда разработали экспериментальные наклейки, которые улавливают физиологические сигналы, исходящие от кожи, а затем по беспроводной связи передают эти показания здоровья на приемник, прикрепленный к одежде. Это все часть системы под названием BodyNet. Мы склонны принимать защитную функцию нашей кожи как должное, игнорируя ее другие роли в сигнальных тонкостях, таких как трепещущее сердце или румянец смущения. Инженеры Стэнфорда разработали способ обнаружения физиологических сигналов, исходящих от кожи с помощью датчиков, которые прилипают, как лейкопластыри, и передают беспроводные показания на приемник, прикрепленный к одежде.
Чжэньань Бао, профессор химической инженерии, чья лаборатория описала систему в августе. 15 статья в Nature Electronics, считает эта носимая технология, которую они называют BodyNet, сначала будет использоваться в медицинских учреждениях, таких как мониторинг пациентов с нарушениями сна или сердечными заболеваниями. Ее лаборатория уже пытается разработать новые наклейки, чтобы чувствовать пот и другие выделения для отслеживания переменных, таких как температура тела и стресс. Ее конечная цель-создать массив беспроводных датчиков, которые прилипают к коже и работают в сочетании с умной одеждой, чтобы более точно отслеживать более широкий спектр показателей здоровья, чем смартфоны или часы, которые потребители используют сегодня.
“Мы думаем, что в один прекрасный день можно будет создать полный массив датчиков кожи тела для сбора физиологических данных, не вмешиваясь в нормальное поведение человека”,-сказал Бао, который также является профессором К. К. ли в Инженерной школе.
Растяжимый, Удобный, функциональный
Постдокторские ученые Симяо НИУ и Наоджи Мацухиса возглавили команду из 14 человек, которая потратила три года на разработку датчиков. Их целью было разработать технологию, которая была бы удобна для ношения и не имела бы батарей или жестких цепей, чтобы предотвратить растяжение и сжатие наклеек с кожей.
Их окончательная конструкция встретила эти параметры с изменением RFID-технологии идентификации радиочастоты используемой для того чтобы контролировать безключевой вход к комнатам. Когда человек держит удостоверение личности до приемника RFID, антенна в удостоверении личности собирает крошечный бит энергии RFID от приемника и использует это для генерации кода, который он затем передает обратно в приемник. Резиновая наклейка, прикрепленная к запястью, может сгибаться и растягиваться при движении кожи человека, излучая показания пульса на приемник, прикрепленный к одежде человека.
Наклейка BodyNet похожа на ID-карту: у нее есть антенна, которая собирает немного входящей энергии RFID от приемника на одежде для питания своих датчиков. Затем он снимает показания с кожи и передает их обратно на ближайший приемник.
Но чтобы заставить беспроводную наклейку работать, исследователи должны были создать антенну, которая могла растягиваться и изгибаться, как кожа. Они сделали это с помощью трафаретной печати металлическими чернилами на резиновой наклейке. Однако всякий раз, когда антенна изгибалась или растягивалась, эти движения делали ее сигнал слишком слабым и неустойчивым, чтобы быть полезным.
Чтобы обойти эту проблему, исследователи из Стэнфорда разработали новый тип RFID-системы, которая может передавать сильные и точные сигналы на приемник, несмотря на постоянные колебания. Затем приемник с батарейным питанием использует Bluetooth для периодической загрузки данных с наклеек на смартфон, компьютер или другую постоянную систему хранения.
Первоначальная версия стикеров полагалась на крошечные датчики движения, чтобы принимать показания дыхания и пульса. В настоящее время исследователи изучают, как интегрировать пот, температуру и другие датчики в свои антенные системы.
Чтобы вывести свои технологии за рамки клинических применений и превратить их в удобные для потребителя устройства, исследователям необходимо преодолеть еще одну проблему-держать датчик и приемник близко друг к другу. В своих экспериментах исследователи закрепляли приемник на одежде чуть выше каждого датчика. Индивидуальные пары датчиков и приемников были бы прекрасны в медицинском мониторинге, но для создания BodyNet, который кто-то мог бы носить во время тренировки, антенны должны были бы быть вплетены в одежду, чтобы принимать и передавать сигналы независимо от того, где человек вставляет датчик.
Бао также является старшим научным сотрудником Института энергетики Precourt, членом Stanford Bio-X, профессорско-преподавательского состава Stanford ChEM-H, филиала Stanford Woods Institute for the Environment и членом Wu Tsai Neurosciences Institute. Другими соавторами Стэнфорда являются Джеффри Б.-Х. ток, научный сотрудник; Ада Пун, адъюнкт-профессор электротехники; Уильям Бернетт, адъюнкт-профессор машиностроения; аспиранты Юаньвэнь Цзян И Цзиньсин ли; аспирант Цзечэнь Ван; и бывший приглашенный ученый Юнцзюнь Юн и бывшие постдокторанты Сихун Ван, Сюйчжоу Янь и Левент Бекер. Исследователи из Наньянского технологического университета Сингапура также выступили соавторами исследования. Это исследование было поддержано компанией Samsung Electronics; сингапурским Агентством по науке, технологиям и исследованиям; Японским обществом содействия науке; и Стэнфордским центром точного здоровья и комплексной диагностики.
