Wir könnten bald in der Lage sein, Hydratationsniveaus, Atemwegsveränderungen oder eine zu nasse Windel zu erkennen, alles mit einem neuen Sensortyp – einer Bleistiftzeichnung.
Forscher der Pennsylvania State University in den USA haben eine Methode zur Überwachung von Feuchtigkeit und Atmung entwickelt, indem sie ein Bild, das wie eine Leiterplatte funktioniert, auf vorbehandeltes Papier zeichnen.
Diese Zeichnung kann Signale an Ihr Smartphone senden und wurde bereits von Forschern verwendet, um eine „intelligente Windel“ herzustellen, die Eltern über die Beschwerden ihres Babys warnen kann.
Die Forscher glauben, dass der Sensor in Zukunft möglicherweise zur Überwachung nicht nur auf eine volle Windel, sondern auch auf gesundheitliche Probleme wie Herzstillstand und Lungenentzündung oder sogar auf Schalter verwendet werden könnte, die keinen Kontakt erfordern.
„Unser Team hat sich auf die Entwicklung von Geräten konzentriert, die lebenswichtige Informationen für die menschliche Gesundheit erfassen können“, Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics an der Penn State und Hauptautor eines neuen Studie über die Forschung, heißt es in einer Pressemitteilung. „Das Ziel ist die frühzeitige Vorhersage von Krankheitszuständen und Gesundheitssituationen, um Probleme zu erkennen, bevor es zu spät ist.“
Eine Studie, die im Dezember im Peer-Review veröffentlicht wurde Zeitschrift Nano Letters beschreibt die Funktionsweise des Sensors und einige der frühen Anwendungen, die von Forschern getestet wurden.
WIE WIRD AUS EINER ZEICHNUNG EIN SENSOR?
Die Forscher erklärten, dass der Sensor hergestellt wird, indem mit einem Bleistift auf Papier gezeichnet wird, das mit einer Natriumchloridlösung behandelt wurde.
Wenn Wassermoleküle in der Umgebung der Zeichnung vom Papier absorbiert werden und sich mit der Natriumchloridlösung vermischen, wird die Lösung ionisiert, wodurch Elektronen entstehen, die durch den Graphit der Bleistiftmarkierungen fließen.
Leiterplatten, die in Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet werden, bestehen aus Kupferleitungen, die in bestimmten Winkelmustern angeordnet sind. Das Kupfer wird als Leitung für elektrische Informationen verwendet, und es ist dieser Prozess, den Forscher replizieren – außer dass diese Leiterplatte mit Bleistift anstelle von Kupfer ausgelegt ist.
Der Papiersensor kann mit Kupferdrähten und leitfähiger Silberpaste an einen Computer angeschlossen oder an eine winzige Lithiumbatterie angeschlossen und zur drahtlosen Kommunikation mit einem Smartphone verwendet werden.
Der Sensor kann ein Signal an ein Smartphone senden, das Feuchtigkeitsdaten auf dem Bildschirm dieses Smartphones anzeigt. Es ist in der Lage, genaue Messwerte für Feuchtigkeitswerte von 5,6 Prozent bis 90 Prozent zu liefern, sagen Forscher.
Die Idee tragbarer Sensoren ist nicht neu – aktuelle flexible Feuchtigkeitssensoren sind ein großer Teil der modernen Gesundheitsversorgung und werden in Bereichen wie Atemüberwachung und Hautfeuchtigkeitserkennung eingesetzt. Es ist jedoch schwierig, eine hohe Empfindlichkeit zu einem niedrigeren Preis zu erreichen, was diese Sensoren weniger zugänglich macht.
„Wir wollten etwas kostengünstiges entwickeln, das die Leute verstehen, wie man es herstellt und benutzt – und man kann nicht zugänglicher werden als Bleistift und Papier“, sagt Li Yang, Professor an der School of Artificial Intelligence an der chinesischen Hebei University of Technology. heißt es in einer Pressemitteilung. „Für die Herstellung braucht man keine Ausrüstung im Wert von mehreren Millionen Dollar. Sie müssen nur in der Lage sein, innerhalb der Linien einer vorgezeichneten Elektrode auf einem behandelten Blatt Papier zu zeichnen. Das geht einfach und schnell.“
INTELLIGENTE WINDELN ZU GESICHTSMASKEN ZU BERÜHRUNGSLOSEN SCHALTERN
Durch die Schichtung von vier Feuchtigkeitssensoren zwischen den absorbierenden Schichten einer Windel schufen die Forscher einen Prototyp einer „intelligenten Windel“, die Nässe erkennen und die Notwendigkeit eines Wechsels signalisieren konnte.
Cheng sagte, die Idee für diese Verwendung des Sensors sei aus seiner eigenen persönlichen Erfahrung entstanden, da er zwei kleine Kinder habe.
„Es gibt keinen einfachen Weg zu wissen, wie nass ist nass, und diese Information könnte für Eltern wirklich wertvoll sein“, sagte er. „Der Sensor kann kurzfristig Daten liefern, um auf Windelwechsel aufmerksam zu machen, aber auch langfristig, um Muster aufzuzeigen, die Eltern über die allgemeine Gesundheit ihres Kindes informieren können.“
Die Forscher testeten auch eine Version, die als Atmungsmonitor funktionierte, indem sie den Sensor direkt auf eine mit Lösung behandelte Gesichtsmaske aufzogen.
Sie konnten durch den Sensor zwischen Mund- und Nasenatmung unterscheiden, und der Sensor konnte drei verschiedene Arten der Atmung erkennen: tiefe, regelmäßige und schnelle Atmung.
Diese Art von Daten könnte verwendet werden, um das medizinische Personal zu warnen, wenn ein Patient plötzlich unter Atemnot leidet, oder könnte verwendet werden, um den Beginn einer Vielzahl von Atemwegserkrankungen zu erkennen.
Wenn der Sensor für die Aufgabe der Hautfeuchtigkeit verwendet wurde, konnte der Sensor die zugrunde liegende Feuchtigkeit der menschlichen Haut erkennen, selbst wenn die Patienten kürzlich Sport getrieben oder Lotion aufgetragen hatten.
„Verschiedene Arten von Krankheitszuständen führen zu unterschiedlichen Wasserverlustraten auf unserer Haut“, sagte Cheng. „Die Haut wird basierend auf diesen zugrunde liegenden Bedingungen unterschiedlich funktionieren, die wir mit dem Sensor kennzeichnen und möglicherweise charakterisieren können.“
Forscher sagen, dass die potenziellen Anwendungen für diese Art von Sensoren riesig sind.
Es kann sogar als berührungsloser Schalter verwendet werden, wobei der Sensor in der Lage ist, das Vorhandensein eines darüber schwebenden Fingers zu erkennen, indem er einfach die Änderung der Luftfeuchtigkeit erkennt.
„Die Atome auf dem Finger müssen den Knopf nicht berühren, sie müssen sich nur in der Nähe der Oberfläche befinden, um die Wassermoleküle zu diffundieren und das Signal auszulösen“, sagte Cheng. „Wenn wir darüber nachdenken, was wir aus der Pandemie über die Notwendigkeit der Begrenzung des Kontakts des Körpers mit gemeinsam genutzten Oberflächen gelernt haben, könnte ein Sensor wie dieser ein wichtiges Instrument sein, um eine mögliche Kontamination zu stoppen.“
Um diese Anwendung zu testen, nutzten die Forscher den Sensor, um einige Experimente durchzuführen. Indem sie ihren Finger über den Sensor bewegten, stellten sie fest, dass sie einen Miniaturaufzug nach oben bewegen, LEDs zum Leuchten bringen und Tastaturnoten spielen konnten.
Es ist unklar, wie weit wir von intelligenten Windeln und intelligenten Gesichtsmasken entfernt sind, die in die Regale kommen, aber Forscher hoffen, dass dies zu neuen Innovationen in der medizinischen Welt führen könnte.
