Разработан метод печати сенсоров на биологических поверхностях

Исследователи из Кембриджского университета разработали метод создания адаптивных и экологичных сенсоров, которые можно напрямую и незаметно печатать на различных биологических поверхностях, будь то кожа пальца или лепесток цветка. Вдохновившись паутиной пауков, способной приспосабливаться и прилипать к разным поверхностям, ученые интегрировали биоэлектронику в свои "паутины", добавляя им различные сенсорные возможности.

Нити, как минимум в 50 раз тоньше человеческого волоса, настолько легкие, что их можно печатать прямо на пушистую головку одуванчика, не разрушая её структуру. При печати на человеческой коже сенсоры адаптируются к ней, обнажая поры пота, и остаются незаметными для носителя. Тесты на пальце человека показали, что такие сенсоры могут использоваться для непрерывного мониторинга здоровья.

Этот метод, минимизирующий отходы и выбросы, может применяться в различных областях: от здравоохранения и виртуальной реальности до электронной текстильной продукции и мониторинга окружающей среды. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Electronics.

Дополнение кожи электронными сенсорами может кардинально изменить взаимодействие с окружающим миром. Например, сенсоры, напечатанные прямо на коже, могут использоваться для непрерывного мониторинга здоровья, улучшения ощущений или повышения реалистичности в играх и виртуальной реальности.

Современные носимые устройства, такие как смарт-часы, могут быть неудобными и мешать естественным ощущениям кожи. В отличие от них, новые сенсоры не ощущаются на коже и не мешают её функциям.

Профессор Ян Ян Шери Хуан из Кембриджского департамента инженерии, руководившая исследованием, отметила: «Если нужно точно измерить что-либо на биологической поверхности, например, коже или листе, интерфейс между устройством и поверхностью имеет решающее значение. Нам также нужна биоэлектроника, которая полностью незаметна для пользователя, чтобы она не мешала его взаимодействию с миром, и чтобы она была устойчивой и малозатратной».

Существующие методы создания носимых сенсоров имеют свои недостатки. Гибкие электроники, например, обычно печатаются на пластиковых пленках, не пропускающих газ и влагу, что может быть некомфортно для кожи. Недавно разработанные гибкие электроники, пропускающие газ, всё же вмешиваются в нормальные ощущения и требуют энергозатратных производственных процессов. Трехмерная печать менее расточительна, но приводит к созданию более толстых устройств, которые могут мешать естественному поведению.

Теперь команда из Кембриджа создала новый способ изготовления высокопроизводительных биоэлектронных устройств, которые можно настраивать для различных биологических поверхностей, печатая их непосредственно на этих поверхностях. Эта техника частично вдохновлена пауками, которые создают сложные и прочные паутины, адаптированные к окружающей среде, используя минимальное количество материала.

Биоэлектронные «паутинные нити» были созданы из биосовместимого проводящего полимера PEDOT:PSS, гиалуроновой кислоты и полиэтиленоксида. Высокопроизводительные нити производились из водного раствора при комнатной температуре, что позволило контролировать их «прядение». Затем исследователи разработали орбитальную методику прядения, чтобы нити могли адаптироваться к живым поверхностям, даже к микроструктурам, таким как отпечатки пальцев.

Тесты показали, что биоэлектронные нити, нанесенные на поверхности, включая человеческие пальцы и головки одуванчиков, обеспечивают высокое качество сенсорных показателей, оставаясь незаметными для носителя.

«Наш подход к прядению позволяет биоэлектронным нитям следовать анатомии различных форм на микро- и макроуровне, без необходимости в распознавании изображений», - заявил автор статьи Энди Ван. «Это открывает новые возможности для создания устойчивой электроники и сенсоров. Это гораздо более простой способ производства сенсоров на больших площадях».

Большинство высокоточных сенсоров создаются в промышленных чистых комнатах с использованием токсичных химикатов в многоступенчатом и энергозатратном процессе. Сенсоры, разработанные в Кембридже, можно производить в любом месте с использованием минимального количества энергии.

Биоэлектронные нити, которые можно ремонтировать, легко смываются, когда заканчивается их срок службы, и производят меньше одного миллиграмма отходов. Для сравнения, одна стирка одежды обычно производит от 600 до 1500 миллиграммов волокнистых отходов.

Исследователи полагают, что их устройства могут использоваться в таких областях, как мониторинг здоровья, виртуальная реальность, точное сельское хозяйство и мониторинг окружающей среды. В будущем в эту методику печати волокон могут быть интегрированы другие функциональные материалы для создания сенсоров с функциями отображения, вычисления и преобразования энергии.