Электронные нити могут превратить обычную одежду в мониторы здоровья

Фото из открытых источников

Электронные устройства, которые гнутся, растягиваются и двигаются подобно обычной нити, вскоре могут позволить практически незаметно встраивать носимые медицинские мониторы в одежду. Инженеры создали гибкие интегральные схемы, встроенные непосредственно в нить, что позволяет сложным электронным устройствам скручиваться, изгибаться и естественным образом принимать форму человеческого тела. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.

В конечном итоге эта технология может привести к созданию одежды, которая непрерывно отслеживает состояние здоровья, и датчиков, контролирующих дыхание, без громоздкого оборудования. Она даже может привести к созданию электронных шовных материалов, отслеживающих заживление внутри тела.

Под руководством Самира Сонкусале, профессора инженерных наук в Университете Тафтса, команда создала схемы, используя мягкие материалы и производственный процесс, не требующий дорогостоящих чистых помещений. В результате получилась новая разновидность электроники, которая ведет себя не столько как традиционное оборудование, сколько как ткань, которую мы уже носим.

Для этого Сонкусале и его команда создали каждый компонент сложной интегральной схемы в виде нити. Это включало транзисторы, датчики и всё остальное, вместо использования традиционной плоской поверхности. Это существенное отступление от традиционных методов производства электроники, и оно открывает двери для устройств, которые ведут себя скорее как ткань, чем как аппаратное обеспечение.

«Перейдя от плоских электронных элементов к нитям произвольной формы, мы открыли путь к созданию носимой биоэлектроники, которая больше похожа на волокна, чем на аппаратное обеспечение», — сказал Сонкусале. «Они будут мягкими, эластичными и смогут повторять форму тела, а не заставлять тело подстраиваться под устройство. Их даже потенциально можно будет использовать в качестве шовного материала для мониторинга процессов внутри организма».

Носимые устройства уже повсюду. Более трети взрослого населения США используют умные часы или умные кольца, многие из которых предлагают ту или иную форму отслеживания состояния здоровья. Интегральные схемы на основе нитей могут еще больше продвинуть эту тенденцию. Медицинские мониторы можно будет вплетать непосредственно в одежду, мягкие интерфейсы или нити, контактирующие с кожей.

Эти устройства могли бы двигаться естественно вместе с телом, а не жестко располагаться на нем. Потенциальные области применения в здравоохранении выходят далеко за рамки отслеживания физической активности. Исследователи указывают на такие возможности, как использование шовного материала, который позволяет напрямую отслеживать заживление ран.

Нитевые датчики также могут отслеживать двигательные паттерны, связанные со снижением когнитивных функций или риском падений у пожилых пациентов. Они даже могут обнаруживать нарушения дыхания у младенцев. В подобных приложениях мягкий, незаметный датчик может иметь гораздо большее значение, чем обычное жесткое устройство.

В качестве предварительного подтверждения работоспособности концепции исследователи продемонстрировали схемы, способные усиливать сигналы от чувствительных датчиков. Они создали одно устройство, предназначенное для фиксации на виске и обнаружения моргания. Другое устройство располагалось рядом с диафрагмой для отслеживания изменений в характере и частоте дыхания.

Обе демонстрации указывают на будущее, в котором будут использоваться мягкие носимые системы на основе нитей. Эти устройства смогут отслеживать показатели здоровья, такие как уровень стресса или функция дыхания, практически не влияя на человека, который их носит.

«Технологическая платформа находится еще на ранней стадии разработки», — сказал ведущий автор исследования Вэньсинь Цзэн из Университета Тафтса. «Но мы рассчитываем повысить скорость и точность изготовления, а также способность интегральных схем на основе нитей выполнять более сложные функции».

В основе каждого электронного устройства лежит тонкая нить, покрытая золотом. К этой нити прикреплены крошечные, полностью гибкие транзисторы. Эти транзисторы являются основными строительными блоками любого цифрового устройства. Проводящий, похожий на пластик материал соединяет их с золотой нитью с обеих сторон.

Поток электронов через транзистор включается и выключается подобно штырю. Второй ток действует как затвор, функционируя, по сути, как клапан. Реальным прорывом, позволяющим всё это осуществить, является материал, называемый эвтектогелем.

Этот гель создает зазор шириной менее миллиметра между двумя концами электронной нити. В этом зазоре поток электронов можно точно контролировать внутри резистора, конденсатора, датчика или другого компонента, основанного на нити. В предыдущих попытках других исследователей для аналогичных соединений использовались гидрогели, но они, как правило, со временем высыхают. Эвтектогель полностью исключает эту проблему, оставаясь стабильным, мягким и безопасным для длительного контакта на теле или внутри него.

Эвтектогель обеспечивает неожиданное преимущество: он наделяет транзистор подлинной способностью к самовосстановлению. Исследователи обнаружили, что если гель разрушается, то простое соединение обломков и воздействие слабого тепла восстанавливает как его механическую структуру, так и электрические функции. 

Электронную нить невозможно починить, если она перерезана. Однако гелевые компоненты, лежащие в основе каждого транзистора, можно соединить заново. Эта возможность может значительно продлить срок службы этих устройств, чего не могут обеспечить обычные электронные устройства.

В отличие от традиционных интегральных схем, для изготовления этих электронных схем на основе нитей вообще не требуется чистая комната. Для создания традиционных схем обычно требуется фотолитография, при которой на поверхность точно наносятся слои материала с заданным рисунком, или другие методы высокотемпературной обработки.

Благодаря этому весь подход становится гораздо более совместимым с мягкими полимерами и текстильными материалами. Самое важное, что это открывает двери для действительно недорогого производства, а это может иметь огромное значение, если эта технология когда-нибудь выйдет за пределы лаборатории и будет применяться в повседневной одежде.