Trådløse sensorer klæber til huden og sporer sundhed

Vi har en tendens til at tage vores huds beskyttende funktion for givet, ignorerer dens andre roller i at signalere subtiliteter som et flagrende hjerte eller en skylle af forlegenhed.

Nu, Stanfords ingeniører har udviklet en måde at detektere fysiologiske signaler, der kommer fra huden, med sensorer, der klæber som plaster og sender trådløse aflæsninger til en modtager, der er klippet på tøjet.

For at demonstrere denne bærbare teknologi, forskerne satte sensorer til håndleddet og maven på en testperson for at overvåge personens puls og respiration ved at detektere, hvordan deres hud strakte sig og trak sig sammen med hvert hjerteslag eller åndedræt. Ligeledes, klistermærker på personens albuer og knæ sporede arm- og benbevægelser ved at måle den minuts opstramning eller afspænding af huden, hver gang den tilsvarende muskel bøjes.

Zhenan Bao, kemiingeniørprofessoren, hvis laboratorium beskrev systemet i en artikel den 15. august i Nature Electronics, mener, at denne bærbare teknologi, som de kalder BodyNet, vil først blive brugt i medicinske omgivelser såsom overvågning af patienter med søvnforstyrrelser eller hjertesygdomme. Hendes laboratorium forsøger allerede at udvikle nye klistermærker til at mærke sved og andre sekreter for at spore variabler som kropstemperatur og stress. Hendes ultimative mål er at skabe en række trådløse sensorer, der klæber til huden og arbejder sammen med smart tøj for mere præcist at spore en bredere vifte af sundhedsindikatorer end de smartphones eller ure, forbrugerne bruger i dag.

"Vi tror, ​​at det en dag vil være muligt at skabe en helkrops-hudsensor-array til at indsamle fysiologiske data uden at forstyrre en persons normale adfærd, " sagde Bao, som også er K.K. Lee professor på School of Engineering.

Strækbar, komfortabel, funktionelle

Postdoktorale forskere Simiao Niu og Naoji Matsuhisa ledede det 14-personers team, der brugte tre år på at designe sensorerne. Deres mål var at udvikle en teknologi, der ville være behagelig at have på og uden batterier eller stive kredsløb for at forhindre klistermærkerne i at strække sig og trække sig sammen med huden.

Deres endelige design opfyldte disse parametre med en variation af RFID-teknologien til radiofrekvensidentifikation, der bruges til at kontrollere nøglefri adgang til aflåste rum. Når en person holder et ID-kort op til en RFID-modtager, en antenne i ID-kortet høster en lille smule RFID-energi fra modtageren og bruger denne til at generere en kode, som den derefter sender tilbage til modtageren.

BodyNet-mærkatet ligner ID-kortet:Det har en antenne, der høster lidt af den indkommende RFID-energi fra en modtager på tøjet for at forsyne dets sensorer. Den tager derefter aflæsninger fra huden og sender dem tilbage til den nærliggende modtager.

Men for at få det trådløse klistermærke til at fungere, forskerne skulle skabe en antenne, der kunne strække og bøje sig som hud. Det gjorde de ved at screen-printe metallisk blæk på et gummimærkat. Imidlertid, når antennen bøjes eller strækkes, disse bevægelser gjorde dets signal for svagt og ustabilt til at være nyttigt.

For at komme uden om dette problem, Stanford-forskerne udviklede en ny type RFID-system, der kunne sende stærke og nøjagtige signaler til modtageren på trods af konstante udsving. Den batteridrevne modtager bruger derefter Bluetooth til periodisk at uploade data fra klistermærkerne til en smartphone, computer eller andet permanent lagersystem.

Den oprindelige version af klistermærkerne var afhængig af små bevægelsessensorer til at tage respiration og pulsaflæsninger. Forskerne studerer nu, hvordan man integrerer sved, temperatur og andre sensorer i deres antennesystemer.

For at flytte deres teknologi ud over kliniske applikationer og ind i forbrugervenlige enheder, forskerne skal overvinde en anden udfordring – at holde sensoren og modtageren tæt på hinanden. I deres eksperimenter, forskerne klippede en modtager på tøjet lige over hver sensor. En-til-en parring af sensorer og modtagere ville være fint i medicinsk overvågning, men at skabe et BodyNet, som nogen kunne bære, mens de træner, antenner skulle væves ind i tøj for at modtage og transmittere signaler, uanset hvor en person stikker en sensor.