"Невидимые" тонкие сенсоры, способные нюхать, слышать, осязать и заставлять перемещаться биологические клетки

"Невидимые" тонкие сенсоры, способные нюхать, слышать, осязать и заставлять перемещаться биологические клетки

09 Nov 2020
37
Прослушать

Американские ученые из Кембриджского университета использовали технологию 3D-печати, известную как аддитивное производство*, для изготовления электронных волокон, каждое из которых в 100 раз тоньше человеческого волоса, с целью создания сенсоров, превосходящих по своим возможностям аналогичные устройства на основе пленки.

Технология печати волокон может быть использована для создания бесконтактных, носимых, портативных сенсоров дыхания. Такие датчики отличаются высокой чувствительностью, низкой стоимостью и могут быть прикреплены к мобильному телефону для одновременного сбора информации о характере дыхания в виде звука и изображений.

Информация об этом исследовании была опубликована в журнале Science Advances.

Разработчики использовали такой волоконный датчик для проверки количества влаги, просачивающейся при дыхании через защитную маску на лице при таких респираторных состояниях, как нормальное дыхание, учащенное дыхание и симулированный кашель. Волоконные датчики значительно превосходили аналогичные коммерческие сенсоры, особенно при мониторинге быстрого дыхания, воспроизводящей одышку.

Поскольку вирусные частицы, такие как коронавирус, могут передаваться через возникающие при дыхание капли и аэрозоли при дыхании, измерение количества и направления возникающей влаги при дыхании, проникающей через различные типы лицевых покрытий, может помочь обнаружить "слабые" места защиты. Ученые обнаружили, что большинство утечек из тканей или хирургических масок происходит спереди, особенно при кашле, в то время как большинство утечек из масок с плотной посадкой типа N95 происходит сверху и сбоку. Тем не менее, оба типа масок при правильном ношении помогают ослабить поток выдыхаемого воздуха.

По словам доктора Яна Шери Хуанга (Yan Shery Huang), который руководил исследованиями,

Сенсоры, изготовленные из миниатюрных проводящих волокон, особенно полезны для объемного измерения жидкости и газа в трехмерном пространстве, по сравнению с традиционными методами на основе тонких пленок, но до сих пор их было сложно печатать и интегрировать в устройства, а также производить в промышленном количестве.

Университетские ученые смогли напечатать на 3D-принтере композитные волокна, которые изготовлены из серебра и/или полупроводниковых полимеров. Эта техника печати создает волокно, состоящую из высокочистой проводящей сердцевины, обернутой тонкой защитной полимерной оболочкой. Полученные композиты, похожи по своей структуре на обычные электрические провода, но имеют только несколько микрометров в диаметре.

В дополнение к сенсорам дыхания, эта технология также может быть использована для создания биосовместимых волокон, похожих на биологические клетки, что позволяет им направлять движение клеток и "чувствовать" этот динамический процесс как электрические сигналы. Кроме того, волокна настолько крошечны, что они невидимы невооруженным глазом, поэтому, когда они используются для соединения небольших электронных элементов в трехмерном пространстве, создается впечатление, что электроника "плавает" в воздухе.

Сейчас ученые намерены использовать эту технологию печати микроволокон для создания ряда многофункциональных датчиков, которые потенциально могли бы отслеживать более тонкие изменения дыхания человека с целью мобильного мониторинга здоровья.

* Аддитивное производство – процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки.