Электродермальная активность зачастую используется для отслеживания уровня стресса в медицине, игровой индустрии и маркетинге. Исследователи из США разработали новую технологию для регистрации ЭДА, которая отличается от предшественников большей гибкостью и удобством, а также доступна для подключения к смарт-часам. Подробности, касающиеся эффективности разработки, опубликованы в Nature Communications.
Беспроводной датчик ЭДА на основе субмикронной графеновой электронной татуировки (GET), соединяющийся с жестким браслетом через гетерогенные змеевидные ленты (HSPR) и мягкую прослойку. а – общая схема устройства; b-d – фотографии, показывающие датчик на ладони, е – репрезентативность сигнала ЭДА. Credit: The University of Texas at Austin
Наши ладони способны выдать наше эмоциональное состояние. Они, например, склонны намокать, когда человек испытывает нервное напряжение. Это происходит из-за повышенной активности потовых желез, которая зависит от работы нервной системы. В такие моменты биоэлектрическая активность на поверхности кожи изменяется, что говорит об определенном уровне стресса, которое можно успешно фиксировать методом регистрации электродермальной активности.
Электродермальная активность (ЭДА), или кожно-гальваническая реакция, на практике используется для измерения эмоционального стресса, а также помощи людям с проблемами психического здоровья. Однако устройства для осуществления этого метода в настоящее время громоздки, ненадежны и некомфортны для постоянного ношения. Используемые гелевые или сухие электроды по ряду причин считаются не вполне эффективными и неудобными для длительного мониторинга. Они мешают активным движениям, не обеспечивают прочного и постоянного соединения с кожей, из-за чего сопротивление в процессе записи нарушается, а это, в свою очередь, снижает качество мониторинга. Кроме того, считается, что внешний вид устройства может увековечить социальную стигму, так как датчики прикрепляются к видным частям тела и очень хорошо заметны.
В качестве альтернативы электродам были изобретены ультратонкие, мягкие, носимые электронные татуировки из графена (graphene e-tattoos, GET). GET почти прозрачные, полностью приспосабливаются к рельефу кожи и соответствуют ее растяжимости. При этом среди ультратонких носимых электродов этот вид демонстрирует самое низкое сопротивление между поверхностями. Но несмотря на то, что такое устройство по качеству записи электрического сигнала и внешнему виду превосходит своих предшественников, оно, тем не менее, не лишено изъянов. Такой ультратонкий материал хоть и поддается растяжению, однако даже при небольшом усилии материал способен порваться. Попытки добавить в GET серебряную пасту и жидкий металл приводили к тому, что интерфейс становился крайне хрупким после высыхания пасты. Добавление же жидкофазных материалов требует, чтобы они были инкапсулированы полимерами, а это делает конструкцию более сложной и толстой.
Для преодоления существующих недостатков GET команда исследователей из США усовершенствовали технологию. Взяв за основу графеновые электронные татуировки, соединяющиеся с жестким браслетом, они использовали гетерогенные змеевидные ленты (heterogeneous serpentine ribbons, HSPR) и мягкую прослойку, чтобы значительно снизить напряжения в наномембране из графена и золота. HSPR с золотым змеевиком, оканчивающимся на плече графенового змеевика, значительно снижают деформацию (в 50 раз) по сравнению с гетерогенными прямыми лентами.
Такой дизайн позволяет справиться с натяжением, возникающим при движении руки в повседневных делах, делает устройство практически незаметным, позволяет делать записи ЭДА с любой поверхности тела. Но что не менее интересно, система способна передавать данные в жесткую схему, которая доступна для приобретения любому человеку – электронные смарт-часы. Все это делает GET наиболее приемлемым и эффективным для амбулаторной регистрации ЭДА.
Таким образом, исследователями был представлен первый растяжимый интерфейс между устройством субмикронной толщины и жесткими платами толщиной в миллиметр. Также с помощью корреляционного анализа им удалось доказать, что датчик ЭДА на основе GET имеет такую же точность обнаружения событий, как и гелевые электроды без движения. При движении, особенно в амбулаторных условиях, датчики на основе GETмогут получать гораздо более стабильные сигналы ЭДА, чем гелевые электроды.
Авторы отмечают, что вдохновение для этого исследования они черпали из технологии виртуальной реальности (VR), игр и грядущей метавселенной для этого исследования. Сегодня VR (в некоторых случаях) используется даже в лечении психических заболеваний, однако возможности человеческого восприятия в виртуальной реальности по-прежнему недостаточны во многих отношениях.
Текст: Анна Удоратина
Материал подготовлен в рамках совместного проекта с инфраструктурным центром «Нейронет». В нем мы освещаем мировые достижения в области нейротехнологий, нейроразвлечений и спорта, а также нейрообразования.
“Graphene e-tattoos for unobstructive ambulatory electrodermal activity sensing on the palm enabled by heterogeneous serpentine ribbons” by Hongwoo Jang et al. Nature Communications. Published: November 3, 2022.
