"Вторая кожа" с биосенсорами: новая эра носимой электроники уже близко

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

24 мая 2024, 17:28

Представьте себе мир, где электроника становится неотъемлемой частью живых организмов, словно сплетенная из тончайших, невидимых нитей. Мир, где датчики на кончиках пальцев позволяют не только считывать пульс, но и чувствовать биение чужого сердца, где растения предупреждают о загрязнении воздуха, мигая миниатюрными огоньками. Фантастика? Нет, реальность, к которой мы уже приблизились благодаря новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Electronics.

«Кожа» с биосенсорами

Автор: Designer

Вдохновившись искусством пауков, плетущих свои хитроумные ловушки, учёные из Кембриджского университета разработали уникальную технологию создания органических биоэлектронных волокон. Эти волокна, состоящие из электропроводящего полимера PEDOT:PSS, гиалуроновой кислоты и полиэтиленоксида, обладают рядом удивительных свойств. Они биосовместимы, то есть не вызывают отторжения со стороны живых тканей, невероятно тонки (от 1 до 5 микрометров) и практически прозрачны. Но самое главное — их можно «сплетать» прямо на поверхности кожи, листьев растений или даже хрупких эмбрионов, не нарушая их естественных функций.

a, (i) плотность волокон (количество волокон (N) по ширине массива волокон (d)), ориентация волокон (θ) и способы (материалы волокон и дизайн рисунка) могут быть настроены в процессе привязки волокон in situ; (ii) достигаются тесные контакты между органическими биоэлектронными волокнами (каждое шириной около 1-5 мкм) и различными биологическими поверхностями с топографией от микро- до миллиметрового масштаба; (iii) массивы биоэлектронных волокон являются реконфигурируемыми для поддержки масштабируемой настройки электронных и сенсорных элементов на живых структурах in situ. b, Масштабы длины и/или размеры элементов указаны для (i) биологических структур на коже руки человека, включая потовые поры (плотность около 250-500 на см2, символ P1; размер пор около 60-80 мкм, символ P2), гребни отпечатков пальцев (миллиметровое расстояние между гребнями, символ F1 и высота гребней около 20-40 мкм, символ F2), отдельные клетки кожи (размеры около 30 мкм, символ C) и рецепторные поля на кончике пальца (около миллиметрового диапазона, символ R); (ii) биоэлектронная привязка волокон — ширина, толщина и раскрытие сети; (iii) наномеш — толщина и раскрытие сетки2,5,21 и (iv) печать in situ или термическая вытяжка электронных волокон — ширина и толщина линии (или волокна). Сеть или сетка волокон считается полностью незаметной для кожи, если она одновременно удовлетворяет следующим условиям: (1) отверстие в сети или сетке между волокнами более 50 мкм (размер пор потовой железы), но менее 1 мм (рецепторное поле кончика пальца); (2) ширина отдельных волокон и толщина сети или сетки менее 10 мкм (таким образом, отдельные клетки кожи в основном обнажаются через открытую сеть волокон, а особенности гребня отпечатка пальца не нарушаются). c, Волокнистая привязка in situ может использоваться для соединения готовой микроэлектроники и электронного текстиля, поддерживая ремонт, обновление и переработку устройств по требованию. Сравниваются многогранные ключевые показатели эффективности для различных методов изготовления волокноподобных строительных блоков, где по шкале от 1 до 4 баллов: 4 = отлично, 3 = очень хорошо, 2 = приемлемо и 1 = нуждается в улучшении.

Автор: Wang, W., Pan, Y., Shui, Y. et al. Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01174-4 CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Секрет кроется в особом методе, названном «орбитальным прядением». Капля жидкого раствора, содержащего компоненты волокон, подвешивается над вращающейся платформой. Под действием центробежной силы из капли вытягивается тончайшая нить, которая, словно паутинка, оседает на поверхности объекта, повторяя его контуры с поразительной точностью.

a, Процесс привязывания волокон, когда волокно сначала инициируется из водного вязкоупругого раствора, а затем вытягивается для привязывания вокруг целевого объекта. Пример процесса осаждения волокон показан на кончике пальца. Пропускание биоэлектронных волокон показывает линейную зависимость от расстояния между волокнами. с наилучшей линейной зависимостью T(%) = 0,045 + 89. b, Фотографии и изображения сканирующей электронной микроскопии, демонстрирующие морфологию волокон, для (i) волокна (с ложным цветовым выделением) на человеческом волосе (масштабная линейка — 50 мкм); (ii) волокна с красным красителем на головке семени одуванчика и увеличенный вид (масштабные линейки слева направо, 1 см, 1 мм) и (iii) сетки волокон на курином эмбрионе 3-го дня жизни в чашке Петри и увеличенный вид (волокна, расположенные поверх вителлиновой мембраны, покрывающей желток; масштабные линейки слева направо 5 мм, 500 мкм). c, связывание и смачивание поверхности волокон на стеклянной палочке (временные фотографии световой микроскопии) и лепестке цветка орхидеи (изображения сканирующей электронной микроскопии, волокна выделены голубым цветом) (масштабные линейки слева направо и сверху вниз, 500, 500, 50, 10 и 10 мкм). d, Концепции формирования рисунка волокон посредством (i) аддитивного (осаждение волокон) и (ii) субтрактивного (стирание волокон) процессов (масштабные линейки сверху вниз, 5 мм, 5 мм и 500 мкм).

Учёным удалось создать на кончиках пальцев добровольцев электроды, способные считывать электрокардиограмму и электромиограмму с точностью, сравнимой с традиционными гелевыми электродами. При этом сенсорная чувствительность кожи не нарушалась: участники эксперимента могли одновременно ощущать прикосновения и измерять свой пульс.

a, Иллюстрация (вверху), показывающая волокна, покрывающие гребни отпечатков пальцев, гдеобозначает количество волокон N на расстоянии d; а экспериментальное доказательство представлено фотографиями (нижний ряд), на которых показан полный массив волокон на кончике пальца и увеличенный вид волокон, следующих за гребнями отпечатков пальцев (масштабные линейки слева направо, 5 мм, 500 мкм). b, Зависимость контактного сопротивления от времени осаждения на кончике пальца. c, Сравнение сигналов ЭКГ, полученных одновременно волоконными и гелевыми электродами (корреляция сигналов P = 0,99). d, (i) Массив волокон, осажденных на область мышц большого пальца, где при нагрузке на большой палец в режиме ON/OFF возникают четкие сигналы ЭМГ, регистрируемые волокнами (масштабная линейка 1 см). (ii) Гистограмма, изображающая изменения абсолютной амплитуды ЭМГ от мышечной области большого пальца в зависимости от веса нагрузки на большой палец (данные представлены как средние абсолютные значения ЭМГ +- стандартное отклонение ЭМГ, измеренной в течение примерно 5 с в каждом случае). e, Легкая восстанавливаемость массивов волокон, подвергнутых воздействию. Треугольный символ указывает на импеданс массивов волокон после их преднамеренного повреждения истиранием, а затем новые волокна осаждаются по требованию для восстановления, как указано круговыми символами. f, Стабильность обнаженного волоконного электрода (обнаженные биоэлектронные волокна на коже) в условиях (i) ношения в окружающей среде; (ii) нажатия кнопки мыши; (iii) сухого трения с пластиковой поверхностью (при скорости движения поверхности 4 см с-1 в условиях относительной влажности (RH) около 40%); (iv) моделирования «влажных» условий без механических воздействий. g, Мокрое трение (при скорости поверхности около 4 см с-1) открытого и защищенного целлюлозными волокнами сенсорного интерфейса. h, Промывка под проточной водой (сенсорный интерфейс защищен целлюлозными волокнами, а контакт волокон закрыт пленкой на основе целлюлозы) (шкалы ЭКГ для f, g, горизонтальная шкала времени 1 с, вертикальная шкала напряжения 0,5 мВ). (a-e — типичные результаты, полученные на n = 5 добровольцах, f-h — типичные результаты, полученные на n = 3 добровольцах, для всех экспериментов с n > 3 независимыми экспериментами, проведенными на каждом добровольце).

Но возможности новой технологии этим не ограничиваются. Исследователи создали органические электрохимические транзисторы, работающие от прикосновения, и даже оснастили растения датчиками, реагирующими на загрязнение воздуха аммиаком. Представьте: цветок на вашем подоконнике, меняя цвет лепестков, сигнализирует о превышении допустимой концентрации вредных веществ.

a, Расширенное восприятие прикосновений с помощью двойного электрокардиографического зондирования: человек-i носит биоэлектронные волоконные массивы, а человек-ii — нет. Сигнал двойной электрокардиограммы, полученный с помощью волоконной решетки, сравнивается с реконструированным сигналом композитной электрокардиограммы, полученным с помощью валидных гелевых электродов. Красные треугольники, направленные вниз, и зеленые, направленные вверх, обозначают пики R человека-i и человека-ii, соответственно. b. Дышащий ОЭКТ с кожным датчиком на кончике пальца; ОЭКТ демонстрирует время отклика в диапазоне 60 с. c. Двухмодальное зондирование для улучшенного восприятия импульсов тумана с кислотным, щелочным и нейтральным составом, различаемых с помощью колориметрических и электрических показаний. На фотографиях импульса тумана показан пример нейтрального импульса тумана, а изменение сопротивления волокна было зарегистрировано при подаче трех последовательных импульсов нейтрального тумана (нормализованное изменение сопротивления рассчитывается какгде R* - пиковое сопротивление, а R0 — начальное сопротивление; начальные сопротивления волоконных решеток находятся в диапазоне 10 кОм). a-c, Типичные результаты, полученные на n = 5 добровольцах, при этом на каждом добровольце было проведено n > 3 независимых экспериментов.

Важным преимуществом новой технологии является её экологичность. Волокна изготавливаются из биоразлагаемых материалов и потребляют минимум энергии при производстве. При необходимости сенсорные сети можно легко удалить, не повредив живую ткань, а использованные волокна — переработать для создания новых устройств.

a, Привязка волокон с заданной ориентацией волокон (θ) продемонстрирована с помощью статистического анализа ориентации волокон θ с различными рисунками волокон, а точность рисунка (p∆θ=10°) рассчитана путем принятия смещения на 10° (ширина бининга в гистограмме) в качестве приемлемого критерия несоосности (горизонтальная линия используется в качестве базовой линии 0° для измерения всех углов ориентации волокон). b, Фотографии, показывающие вид сверху и в профиль массивов волокон, подключенных к контактам светодиода (масштабные линейки, 2 мм). c, Распределенные биоэлектронные волокна для соединения со светодиодом на листе растения для предупреждения воздействия аммиака на поверхности растения (пунктирными линиями обозначены границы массивов волокон, масштабные линейки — 5 мм; типичные результаты независимых экспериментов, проведенных с n > 3 растениями). d, Концепции повторно используемых и перерабатываемых компонентов, где светодиод и биоэлектронные волокна могут быть разделены: светодиод использован повторно, а волокна переработаны в сырье для создания проводящих чернил для 3D-печати (сопротивление линии около 1 кΩ мм-1 в зависимости от концентрации наполнителя; масштабные линейки слева направо и сверху вниз, 1 мм, 2 мм и 500 мкм). e, Концепции реконфигурируемого сенсорного интерфейса. (ii) Схемы, показывающие процесс изготовления и реконфигурации волокон, где процесс «перезаписи» может «обновить» сенсорный интерфейс волокон, сохраняя одинаковые уровни сопротивления массива волокон между исходным R0 и «обновленным» R′ состояниями и (ii) массивы биоэлектронных волокон на поверхности листа, которые записываются и перезаписываются для достижения топологических изменений в сенсорном интерфейсе (для каждого массива волокон; масштабные линейки, 5 мм; типичные результаты независимых экспериментов, проведенных n > 3 растений). f, Массив биоэлектронных волокон, нанесенных на область пальцев электронной текстильной перчатки, которые снижают контактный импеданс примерно на два порядка величины, что позволяет проводить мониторинг биопотенциалов (масштабная линейка, 200 мкм).

Это исследование открывает новые горизонты в развитии носимой электроники, биосенсорики и даже регенеративной медицины. Можно представить, как в будущем подобные «живые» датчики помогут следить за состоянием здоровья в режиме реального времени, управлять протезами силой мысли или создавать «умные» растения, способные очищать воздух от загрязнений.

Подобно тому, как первые транзисторы положили начало цифровой революции, биоэлектронные волокна, возможно, станут отправной точкой новой эры — эры симбиоза человека и электроники, где технологии, подобно невидимой паутине, окутывают нас, делая жизнь комфортнее и безопаснее.

В статье утверждается, что сенсорная чувствительность кожи не нарушается при использовании биоэлектронных волокон. Но могут ли такие волокна, напротив, расширить наши сенсорные возможности, позволив воспринимать то, что недоступно нам в обычной жизни?

Учёные уже работают над созданием сенсоров, реагирующих на магнитные поля, ультрафиолетовое излучение и даже радиоволны. Интеграция таких сенсоров с биоэлектронными волокнами потенциально может дать нам «шестое чувство», позволяя ощущать электромагнитные поля, видеть в темноте или «ловить» Wi-Fi без электронных устройств.

Технология реконфигурируемых электронных схем на листьях растений впечатляет. Но не приведет ли это к злоупотреблениям? Можно ли представить себе сценарий, где подобная технология будет использоваться для слежки или контроля над людьми?

Вопрос этики всегда актуален при разработке новых технологий. Гипотетически, биоэлектронные сенсоры можно модифицировать для считывания не только физиологических показателей растений, но и человека. Это открывает пугающие возможности для несанкционированного сбора данных, нарушения частной жизни и даже манипуляции. Поэтому крайне важно разработать этические нормы и правовые рамки, регламентирующие использование подобных технологий.

В статье упоминается о возможности переработки биоэлектронных волокон. Но насколько это реально в контексте массового производства? Не окажется ли такая «экологичность» фикцией, как это часто бывает с современными технологиями?

Массовое производство биоэлектроники должно учитывать весь жизненный цикл продукции: от добычи сырья до утилизации. Необходимо разработать эффективные и экономически оправданные методы переработки биоэлектронных материалов, чтобы предотвратить накопление электронного мусора. В противном случае, даже самые «зелёные» технологии могут превратиться в проблему.