15 ژوئیه 2021 توسط موسسه Trasasaki برای نوآوری پزشکی
بسیاری از عملکردهای بدن در انسان با تغییر شکل مکانیکی پوست – از کشش، خم‌شدن و حرکت عضلات و مفاصل تا زدن نبض در مچ دست آشکار می‌شود. این تغییرات مکانیکی را می‌توان با اندازه‌گیری سطوح مختلف فشار در نقاط مختلف بدن شناسایی و کنترل کرد.
در سال‌های اخیر، توجه زیادی به حسگرهای پوشیدنی برای اندازه‌گیری این موارد جهت استفاده در نظارت بر سلامت و بهداشت شخصی معطوف شده است. برخی از این سنسورها می‌توانند فشارهای سطح بالا (40-100٪) را تشخیص دهند، مانند آن‌هایی که با حرکات انگشتان و مفاصل اندام مرتبط هستند، برخی دیگر فشارهای سطح میانی (10-40٪) را تشخیص می‌دهند، همانطور که در بلع و حرکات صورت مشاهده می‌شود و برخی دیگر نیز به فشارهای سطح پایین (1٪ -10٪) در نبض مچ دست و لرزش‌های تارهای صوتی حساس هستند.
به دلیل بالاترین میزان رسانایی و پایداری، ماده‌ای بسیار پسندیده برای این نوع سنسورها PEDOT PSS یا پلی (3،4-اتیلن دیوکسی اتیوفن) پلی استایرن سولفونات می‌باشد. پیش از این، سنسورهای فشار PEDOT بسیار حساس ساخته شده‌اند که می‌توانند فشار حرکات بسیار کمی را تشخیص دهند (<1٪)، اما کشش ذاتی ضعیف PEDOT فیلم‌های PSS در هنگام استفاده برای اندازه‌گیری فشارهای بالاتر، باعث کاهش سطح عملکرد می‌شوند. (> 20٪) تلاش برای حل این مشکل با افزودن پلیمرهای کششی، یا الاستومرها، منجر به افزایش کشش اما کاهش حساسیت در شناسایی حرکات و لرزش‌های کوچک شده است.
یک تیم مشترک از موسسه نوآوری پزشکی تراساکی با طراحی دستگاه سنجش فشار کشیدنی که می‌تواند طیف وسیعی از حرکت‌ها را به طور موثر تشخیص دهد، این چالش‌ها را برطرف کرده است. به منظور به حداکثر رساندن کشش این حسگر، محققان TIBI از مثالی که در طبیعت یافت شده الهام گرفتند. مارها به دلیل داشتن توانایی کشش تا چند برابر اندازه طبیعی بدن خود هنگام بلعیدن طعمه، به خوبی شناخته شده‌اند. با بررسی دقیقتر پوست مار، محققان مشاهده کردند که پوست مار با سلول‌های همپوشانی تشکیل شده است. هنگامی که فشار وارد می‌شود، این سلول‌ها از کنار یکدیگر سر می‌خورند و به سلول‌های جداگانه‌ای منتقل می‌شوند که پوست بین آن‌ها پراکنده است. این امر باعث کشیدگی استثنایی پوست می‌شود.
محققان از این مفهوم طراحی در ساخت سنسور خود استفاده کردند. یک لایه نازک از PEDOT: PSS اعمال شده و روی یک نوار الاستومر پخته شد. این لایه سپس به یک سطح کرنش 50 50 بهینه شده تجربی کشیده شد. این فرآیند منجر به ایجاد ترک و تشکیل قطعات ریز مقیاس یا جزایر در سطح لایه با مناطق پراکنده PEDOT: PSS شد. این مناطق در معرض فشار به عنوان محل اتصال برای استفاده از یک لایه نازک دوم PEDOT عمل می‌کنند PSS. پس از اعمال لایه دوم بیشتر به سطح فشار 100٪ کشیده شد، و در نتیجه جزایر اضافی و مناطقی ایجاد شد که به طور طبیعی با لایه‌های اول همسو بودند. و هنگامی که از کشش آزاد شد، ساختاری با جزایر همپوشان ایجاد شد که ساختار پوست مار را تقلید می‌کند.
شیمینگ ژانگ، محقق ارشد، Ph.D. گفت: «نکته اساسی در توسعه این حسگر، طراحی ساختاری جدید آن است. این امکان را برای دستگاه ما فراهم می‌کند تا طیف گسترده‌ای از سطح فشار را با درجه حساسیت بالا اندازه گیری کند.»
سطح دو لایه PEDOT: PSS در بالای یک لایه هیدروژل چسبانده شد. هیدروژل نرم و ژلاتینی برای این لایه زیرین انتخاب شده است، زیرا روی پوست موضوع قرار می‌گیرد و سازگاری زیستی و راحتی پوشیدنی دارد. سیم‌های مسی و مهر و موم الاستومر به سنسور اضافه شده و آزمایش‌های مختلفی برای آزمایش توانایی آن در شناسایی طیف گسترده‌ای از کرنش‌ها انجام شده است.
در آزمایش‌های فشار کم برد، اندازه‌گیری نبض‌های مچ دست در حالت استراحت و بعد از ورزش انجام شد. همچنین اندازه‌گیری‌هایی از حرکات پوست و بافت روی گردن در هنگام صداگذاری و آوا انجام شده است. برای تشخیص سویه‌های سطح متوسط، حرکات ابرو و حرکات بالا و پایین حنجره در حین بلع اندازه گیری شد. و در آزمون‌های فشار سطح بالا، اندازه گیری درجات مختلف خم شدن آرنج انجام شد.
نتایج آزمایشات نشان داد که سنسور TIBI سیگنال‌های کاملاً مشخص با دامنه حساسیت دو مرتبه قدرتی را ارائه می‌دهد. سیگنال‌ها درجه و زوایای حرکات مربوطه را که تشخیص داده‌اند، با دقت منعکس می‌کنند. علاوه بر این، سنسور هدایت، دوام و قابلیت تکرار پذیری عالی را نشان داد.
تطبیق پذیری این حسگر پوشیدنی با دامنه وسیع می‌تواند برای نیازهای بی‌شمار پزشکی، مانند نظارت بر عملکردهای قلبی یا گردش خون، کمک به افراد دارای مشکل در صدا یا بلعیدن، یا در توانبخشی جسمی و ارزیابی عملکرد ورزشی اعمال شود. همچنین می‌تواند در برنامه‌های خلاقانه مانند بهبود ارتباطات برای کسانی که در محیط‌های پر سر و صدا یا مانیتور کار می‌کنند، مورد استفاده قرار گیرد.
