Dok bebe imaju prirodan mehanizam za upozorenje roditelja da im je potrebna promena pelena, novi senzor koji su razvili istraživači u Penn Stejtu mogao bi da pomogne radnicima u dnevnim boravcima, bolnicama i drugim ustanovama da pruže hitniju negu svojim korisnicima.
Novi senzor—toliko jeftin i jednostavan za proizvodnju da se može ručno nacrtati olovkom na papiru tretiranom natrijum hloridom—mogao bi otvoriti put za nosive, samonapajajuće zdravstvene monitore za upotrebu ne samo u „pametnim pelenama“ već i za predviđanje velikih zdravstvenih problema kao što su srčani zastoj i upala pluća.
„Naš tim je bio fokusiran na razvoj uređaja koji mogu da prihvate vitalne informacije za ljudsko zdravlje“, rekao je Huaniu „Larri“ Cheng, vanredni profesor inženjerskih nauka i mehanike u Penn State-u Memorijal Džejmsa L. Hendersona mlađeg. „Cilj je rano predviđanje stanja bolesti i zdravstvenih situacija, da se uoče problemi pre nego što bude prekasno.“
Čeng je vodeći autor nove studije, objavljene u časopisu Nano Letters, koja opisuje proces dizajna i proizvodnje pouzdanog, ručno nacrtanog senzora elektrode. Senzor se kreira pomoću olovke, nacrtane na papiru tretiranom rastvorom natrijum hlorida. Senzor za hidrataciju je veoma osetljiv na promene vlažnosti i daje tačna očitavanja u širokom opsegu nivoa relativne vlažnosti, od 5,6% do 90%.
Istraživanje nosivih senzora dobija na zamahu zbog njihove široke primene u medicinskom zdravlju, upozoravanju na katastrofe i vojnoj odbrani, objasnio je Čeng. Fleksibilni senzori vlažnosti postali su sve potrebniji u zdravstvu, za upotrebu kao što su respiratorni monitoring i detekcija vlažnosti kože, ali je i dalje izazovno postići visoku osetljivost i lako odlaganje jednostavnim, jeftinim procesima proizvodnje, dodao je on.
„Želeli smo da razvijemo nešto jeftino što bi ljudi razumeli kako da naprave i koriste – a ne možete da budete dostupniji od olovke i papira“, rekao je Li Jang, profesor u Školi veštačke inteligencije na kineskom tehnološkom univerzitetu Hebei. . „Ne morate da imate neki komad opreme vredne više miliona dolara za proizvodnju. Samo treba da budete u stanju da crtate unutar linija prethodno nacrtane elektrode na obrađenom komadu papira. To se može uraditi jednostavno i brzo.“
Uređaj koristi prednosti načina na koji papir prirodno reaguje na promene vlažnosti i koristi grafit u olovci za interakciju sa molekulima vode i rastvorom natrijum hlorida. Kako papir apsorbuje molekule vode, rastvor postaje jonizovan i elektroni počinju da teku do grafita u olovci, pokrećući senzor, koji detektuje te promene vlažnosti u okruženju i šalje signal pametnom telefonu, koji prikazuje i beleži podatke.
U suštini, crtanje na prethodno tretiranom papiru unutar prethodno tretiranih linija stvara minijaturizovanu papirnu ploču. Papir se može povezati sa računarom sa bakarnim žicama i provodljivom srebrnom pastom da bi delovao kao detektor vlažnosti okoline. Za bežične aplikacije, kao što su „pametne pelene“ i praćenje disanja na osnovu maske, crtež je povezan sa malom litijumskom baterijom koja napaja prenos podataka na pametni telefon preko Bluetooth-a.
Za monitor disanja, tim je nacrtao elektrodu direktno na masku za lice tretiranu rastvorom. Senzor je lako razlikovao disanje na usta od disanja na nos i mogao je da klasifikuje tri stanja disanja: duboko, pravilno i ubrzano. Čeng je objasnio da se prikupljeni podaci mogu koristiti za otkrivanje pojave različitih bolesti, kao što su respiratorni zastoj i kratak dah, i da se obezbede mogućnosti u pametnom internetu stvari i telemedicini.
Dodao je da je brzina disanja osnovni vitalni znak i istraživanja su pokazala da je to rani pokazatelj različitih patoloških stanja kao što su srčani događaji, upala pluća i kliničko pogoršanje. Takođe može ukazivati na emocionalne stresore kao što su kognitivno opterećenje, toplota, hladnoća, fizički napor i umor izazvan vežbanjem.
U poređenju sa dahom, ljudska koža pokazuje manju promenu vlažnosti, ali istraživači su i dalje bili u mogućnosti da otkriju promene pomoću senzora vlažnosti olovke na papiru, čak i nakon što su ispitanici naneli losion ili vežbali. Koža je najveći organ u telu, objasnio je Čeng, pa ako ne obrađuje vlagu pravilno, to bi moglo ukazivati na neki drugi zdravstveni problem.
„Različite vrste bolesti rezultiraju različitim stopama gubitka vode na našoj koži“, rekao je on. „Koža će funkcionisati drugačije na osnovu tih osnovnih uslova, koje ćemo moći da označimo i eventualno okarakterišemo pomoću senzora.
Tim je takođe integrisao četiri senzora vlažnosti između upijajućih slojeva pelena kako bi napravio „pametnu pelenu“, sposobnu da detektuje vlažnost i upozori na promenu.
„Ta aplikacija je zapravo nastala iz ličnog iskustva“, rekao je Čeng, koji je otac dvoje male dece. „Ne postoji lak način da saznate koliko je mokro, a ta informacija bi mogla biti zaista dragocena za roditelje. Senzor može da pruži podatke kratkoročno, da upozori na promene pelena, ali i dugoročno, da pokaže obrasce. koji mogu da informišu roditelje o opštem zdravlju njihovog deteta“.
Primene senzora vlažnosti prevazilaze „pametne pelene“ i praćenje disanja i znojenja, objasnio je Čeng. Tim je takođe primenio senzor kao beskontaktni prekidač, koji je mogao da oseti promene vlažnosti u vazduhu iz prisustva prsta, a da prst ne dodiruje senzor. Tim je koristio beskontaktni prekidač za upravljanje malim liftom, sviranje tastature i osvetljavanje LED niza.
„Atomi na prstu ne moraju da dodiruju dugme, samo treba da budu blizu površine da bi difundirali molekule vode i pokrenuli signal“, rekao je Čeng. „Kada razmišljamo o tome šta smo naučili od pandemije o potrebi da se ograniči kontakt tela sa zajedničkim površinama, senzor poput ovog mogao bi biti važno sredstvo za zaustavljanje potencijalne kontaminacije.“
