Naukowcy stworzyli elektroniczny tatuaż przypominający farbę do twarzy. Kolorowy wzór może monitorować serce, mięśnie i mózg.
To nie naklejka, opaska ani kolejny smartwatch. Naukowcy stworzyli przewodzący tusz, który można nanieść pędzlem bezpośrednio na skórę i zamienić kolorowy rysunek w elektrodę rejestrującą pracę serca, mięśni lub mózgu. Zamiast przyklejać do ciała gotowe czujniki, można je po prostu namalować w dowolnym miejscu i kształcie, dopasowując je do konkretnej osoby i sytuacji. Taki rysunek nie tylko wygląda jak zwykła farba do ciała, ale zachowuje się jak zaawansowane urządzenie medyczne, zdolne wychwycić subtelne sygnały elektryczne generowane przez organizm choćby podczas ruchu czy wysiłku.
Rekin na dłoni był częścią urządzenia
Na pierwszy rzut oka wygląda jak body painting. Na dłoni jednego z badaczy widnieje prosty, niebieski rekin przypominający rysunek wykonany farbą do twarzy. W rzeczywistości jego powierzchnia została wykonana z przewodzącego materiału, który po wyschnięciu może zbierać słabe sygnały elektryczne wytwarzane przez ludzkie ciało.
Sam kształt rekina nie ma znaczenia dla pomiaru. Jest pokazem, iż elektroda nie musi przypominać beżowego plastra przyklejonego do klatki piersiowej. Można nadać jej dowolny kolor, rozmiar i wygląd, a materiał przez cały czas zachowuje swoje adekwatności elektryczne.
Ten sam przewodzący tusz wykorzystano do rejestracji EKG, czyli elektrycznej aktywności serca, EMG mierzącego pracę mięśni oraz EEG, które pozwala odczytywać zmiany potencjału związane z aktywnością mózgu. Rysunek nie analizuje danych samodzielnie. Działa jako miejsce kontaktu między skórą a zewnętrzną elektroniką odbierającą sygnał.
Malowany materiał nie zawiera baterii, procesora ani modułu komunikacji. Energia i elektronika potrzebne do przetwarzania danych pozostają w osobnym urządzeniu, które można przymocować do ciała i połączyć z elektrodą. Sygnał jest następnie bezprzewodowo przesyłany przez Bluetooth do komputera.
Tusz wpływa w każdą szczelinę skóry
Klasyczne elektrody medyczne są produkowane w fabryce jako gotowe plastry. choćby jeżeli dobrze przylegają, to ich powierzchnia nie odwzorowuje idealnie wszystkich zmarszczek, włosów i mikroskopijnych zagłębień skóry. Pomiędzy ciałem a elektrodą pozostają niewielkie przestrzenie wypełnione powietrzem, które pogarszają jakość kontaktu elektrycznego.
Problem nasila się szczególnie podczas ruchu. Skóra rozciąga się i marszczy, mięśnie zmieniają kształt, a pod plastrem pojawia się pot. Elektroda może się przesuwać, częściowo odklejać lub zbierać zakłócenia. Przy krótkim badaniu w gabinecie nie zawsze stanowi to poważną przeszkodę, ale przy wielogodzinnym monitorowaniu ma ogromne znaczenie.
Nowy materiał został opracowany przez zespół naukowców m.in. z MIT i chińskiego Instytutu Inżynierii Biomedycznej i Technologii Suzhou i jest nakładany w postaci płynnej. Ma konsystencję zbliżoną do kleju, dzięki czemu wypełnia naturalną strukturę skóry. Dopiero później wysycha, tworząc cienką i elastyczną warstwę dokładnie dopasowaną do powierzchni ciała.
Proces nie wymaga specjalistycznego sprzętu. Materiał można nanieść pędzlem, a następnie pozostawić na mniej niż 10 minut. Suszenie da się przyspieszyć strumieniem ciepłego powietrza. Początkowo tusz jest niemal przezroczysty, ale naukowcy dodawali do niego barwniki spożywcze, aby uzyskać kolorowe wzory.
To właśnie dlatego elektroda może przypominać rekina, symbol superbohatera albo dowolną inną ilustrację. Wygląd czujnika można dostosować do użytkownika bez zmiany jego podstawowego działania.
Za długą nazwą kryje się kilka znanych materiałów
Tusz otrzymał nazwę WE-PPD, utworzoną od jego głównych składników. W mieszaninie znalazły się woda, etanol, alkohol poliwinylowy, przewodzący polimer PEDOT oraz dodatek określany skrótem DBSA.
PEDOT jest materiałem dobrze znanym w elastycznej elektronice. Przewodzi prąd, a jednocześnie może tworzyć cienkie warstwy, które wyginają się znacznie łatwiej niż metalowe płytki. Stosuje się go m.in. w czujnikach, przezroczystych elektrodach i eksperymentalnych urządzeniach ubieralnych.
Alkohol poliwinylowy, czyli PVA, pomaga utworzyć jednolitą warstwę i poprawia jej adekwatności mechaniczne. DBSA pełni natomiast podwójną funkcję: wpływa na przewodnictwo materiału i działa jak plastyfikator. Dzięki temu wyschnięta elektroda nie kruszy się przy każdym ruchu skóry.
Sama namalowana warstwa musi jeszcze zostać połączona z urządzeniem zbierającym dane. Badacze użyli do tego porowatej tkaniny pokrytej srebrem. Mokry tusz wnika w jej strukturę, a po wyschnięciu tworzy mocne połączenie pomiędzy elektrodą na skórze a przewodem prowadzącym do modułu elektronicznego.
Porowata tkanina działa trochę jak elastyczne gniazdo. Zamiast przyklejać do cienkiej warstwy ciężki przewód, który mógłby ją zerwać, rozkłada naprężenia na większej powierzchni. Takie połączenie wytrzymywało rozciągnięcie do około 170 proc. początkowej długości, zanim dochodziło do uszkodzenia.
Pot jest największym wrogiem elektrod
Jednym z większych problemów urządzeń noszonych bezpośrednio na ciele jest odprowadzanie wilgoci. Pod nieprzepuszczalnym plastrem gromadzi się pot, skóra mięknie, a klej stopniowo traci przyczepność. Długotrwałe zasłonięcie powierzchni ciała może również prowadzić do podrażnień.
Naukowcy zbadali więc, jak gwałtownie para wodna przechodzi przez wyschnięty materiał. W temperaturze 22 st. C przepuszczał on niemal 5 razy więcej pary wodnej niż medyczna folia Tegaderm, wykorzystana jako punkt odniesienia. Przy temperaturze 37 st. C różnica była większa niż 10-krotna.
Wyższa temperatura miała odtworzyć warunki panujące podczas wysiłku i pocenia. Zamiast zamykać wilgoć pod szczelną powierzchnią, porowata elektroda pozwala jej stopniowo wydostawać się na zewnątrz.
W teście na bieżni badacze porównali zapis EKG przed wystąpieniem lekkiego potu i po nim. Zgodność sygnału wyniosła 95,1 proc. W innym doświadczeniu jeden ze współautorów nosił czujnik przez 12 godzin podczas zwykłych codziennych czynności. Elektroda pozostawała przyklejona i przez cały czas rejestrowała sygnał serca.
Nie oznacza to jeszcze, iż czujnik może zastąpić urządzenia stosowane w szpitalach albo działać przez wiele tygodni. Pokazuje jednak, iż malowana warstwa nie rozpada się natychmiast po wyjściu z laboratorium i radzi sobie w warunkach znacznie bliższych codziennemu życiu.
Namalowana elektroda poruszyła robotyczną dłonią
Poza pomiarami pracy serca zespół wykorzystał tusz do odczytywania sygnałów pochodzących z mięśni przedramienia. Skurcz mięśnia powoduje niewielką zmianę napięcia elektrycznego, którą można zarejestrować dzięki elektromiografii.
Sygnał z namalowanych elektrod przekazano do robotycznej protezy dłoni. Kiedy badana osoba napinała odpowiednie mięśnie, mechaniczna dłoń wykonywała przypisany ruch. Człowiek nie musiał dotykać urządzenia ani naciskać fizycznego przycisku.
To jedno z najbardziej praktycznych zastosowań tej technologii. Protezy sterowane aktywnością mięśni istnieją już dzisiaj, ale ich skuteczność zależy od jakości kontaktu elektrod ze skórą. Przesuwający się plaster może zmienić odczyt albo wymagać ponownej kalibracji. Materiał malowany bezpośrednio na ciele potencjalnie lepiej utrzymuje się dokładnie nad wybranym mięśniem.
Podobne czujniki mogą również służyć jako interfejs człowiek–maszyna. Ruch palca, napięcie przedramienia lub uniesienie brwi dałoby się zamienić w polecenie dla komputera, robota albo urządzenia rehabilitacyjnego.
Jak pisaliśmy w tekście: Wynaleźli unerwioną skórę. Sztuczny człowiek coraz bliżej, elektronika coraz częściej przestaje być sztywnym dodatkiem montowanym na ciele maszyny lub człowieka. Zaczyna przyjmować adekwatności powierzchni, z którą współpracuje: zgina się, rozciąga i zbiera sygnały z wielu punktów jednocześnie.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Popular Science Podcasts / YT
