Malowana elektronika na skórze. Rekin na dłoni mierzył pracę serca

Co wspólnego ma niebieski rekin namalowany na dłoni z pracą serca? Więcej, niż mogłoby się wydawać. Naukowcy z MIT i chińskiego Instytutu Inżynierii Biomedycznej i Technologii Suzhou opracowali przewodzący tusz, który po naniesieniu pędzlem na skórę zamienia się w elektrodę zdolną rejestrować sygnały elektryczne organizmu – od EKG po EEG.

Nie naklejka, nie opaska – pędzel i farba

→ Czytaj też: Most z drukarki 3D w 20 godzin. MIT tnie beton o 76% i zmienia budownictwo

Na pierwszy rzut oka przypomina body painting. Na dłoni jednego z badaczy widnieje prosty, niebieski rekin – jakby malowany farbą do twarzy. W rzeczywistości jego powierzchnia wykonana jest z przewodzącego materiału, który po wyschnięciu zbiera słabe sygnały elektryczne wytwarzane przez ludzkie ciało. Sam kształt nie ma znaczenia dla pomiaru. Pokazuje, że elektroda nie musi przypominać beżowego plastra przyklejonego do klatki piersiowej.

Materiał, nazwany WE-PPD, składa się z wody, etanolu, alkoholu poliwinylowego, przewodzącego polimeru PEDOT oraz dodatku DBSA. PEDOT jest dobrze znany w elastycznej elektronice – przewodzi prąd, a jednocześnie tworzy cienkie warstwy, które wyginają się łatwiej niż metalowe płytki. Alkohol poliwinylowy pomaga utworzyć jednolitą warstwę, a DBSA działa jak plastyfikator, zapobiegając kruszeniu się elektrody przy każdym ruchu skóry.

Pot nie jest już wrogiem

→ Czytaj też: Koniec energetycznego piekła w komputerach. MIT wprowadza światło do procesorów. Jak to działa?

Klasyczne elektrody medyczne mają poważną wadę – nie przylegają idealnie do skóry. Pomiędzy ciałem a plastrem pozostają mikroskopijne przestrzenie wypełnione powietrzem, które pogarszają kontakt elektryczny. Problem nasila się podczas ruchu i pocenia. Nowy tusz nakładany w postaci płynnej wypełnia naturalną strukturę skóry, a po wyschnięciu tworzy cienką, elastyczną warstwę dokładnie dopasowaną do powierzchni ciała.

Naukowcy sprawdzili, jak szybko para wodna przechodzi przez wyschnięty materiał. W temperaturze 22°C przepuszczał niemal 5 razy więcej pary wodnej niż medyczna folia Tegaderm. Przy 37°C różnica była większa niż 10-krotna. Wyższa temperatura miała odtworzyć warunki podczas wysiłku i pocenia. Zamiast zamykać wilgoć pod szczelną powierzchnią, porowata elektroda pozwala jej stopniowo wydostawać się na zewnątrz.

W teście na bieżni porównano zapis EKG przed wystąpieniem lekkiego potu i po nim. Zgodność sygnału wyniosła 95,1%. W innym doświadczeniu jeden ze współautorów nosił czujnik przez 12 godzin podczas zwykłych codziennych czynności. Elektroda pozostawała przyklejona i nadal rejestrowała sygnał serca.

Od serca do robotycznej dłoni

Poza pomiarami pracy serca zespół wykorzystał tusz do odczytywania sygnałów pochodzących z mięśni przedramienia. Skurcz mięśnia powoduje niewielką zmianę napięcia elektrycznego, którą można zarejestrować za pomocą 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.

Co dalej z malowaną elektroniką?

Sam tusz 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. Połączenie z elektroniką zapewnia porowata tkanina pokryta srebrem – mokry tusz wnika w jej strukturę, a po wyschnięciu tworzy mocne połączenie wytrzymujące rozciągnięcie do około 170% początkowej długości.

Podobne czujniki mogą służyć jako interfejs człowiek–maszyna. Ruch palca, napięcie przedramienia lub uniesienie brwi dałoby się zamienić w polecenie dla komputera, robota albo urządzenia rehabilitacyjnego. Elektronika przestaje być sztywnym dodatkiem montowanym na ciele maszyny lub człowieka. Zaczyna przyjmować właściwości powierzchni, z którą współpracuje: zgina się, rozciąga i zbiera sygnały z wielu punktów równocześnie.