Последнее изобретение ученых - "умная" кожа, которая получает энергию от пота

Кожа является самым большим органом человеческого тела. Она передает много информации, включая температуру, давление, приятные ощущения и боль. Разрабатываемая учеными электронная кожа, которую назвали e-skin, имитирует свойства биологического органа.

Будущее рядом

Недавно созданные электронные скины способны осуществлять беспроводной мониторинг физиологических сигналов. Они могут сыграть решающую роль в науке робототехнике и медицинских устройствах следующего поколения.

Лавры изобретения принадлежат лаборатории в Калифорнийском технологическом институте. Здесь изучают биологию человека и средства наблюдения за здоровьем с помощью современных биоэлектронных устройств.

На передовой науки

Это не первая в мире подобная разработка. Проблемами искусственной кожи занимаются многие компании. Но калифорнийские специалисты смогли обойти ряд принципиальных ограничений. Например, придумали, как питать миниатюрное медицинское электронное устройство.

Разработанная электронная кожа не только анализирует химический и молекулярный состав пота человека. Она использует его химические вещества для работы.

Почему это важно

Существующие электронные скины и носимые устройства в основном ориентированы на мониторинг физиологических параметров, таких как частота сердечных сокращений. Они не могут оценить информацию о здоровье на молекулярном уровне. Кроме того, они обычно требуют батареек или аккумуляторов для питания, которые приходится часто заряжать.

Ученым из Калифорнии удалось усовершенствовать технологию. Ими изобретены электронные скины (e-skin) с автономным питанием, которые способны выполнять биосенсирование и передавать информацию через стандартную беспроводную связь Bluetooth. Ими решена проблема недостаточной энергоэффективности, свойственной электронной коже предыдущих поколений. Создано устройство с автономным питанием, которое может непрерывно собирать как молекулярную, так и физическую информацию и передавать данные по беспроводной сети другим устройствам.

Как это работает

Используемый метод основан на принципе клеточного биотоплива. Встроенные в e-skin миниатюрные топливные элементы преобразуют химическую энергию в электричество. В частности, источником энергии служит молочная кислота, содержащаяся в человеческом поте. При ее преобразовании и вырабатывается необходимое электричество.

В дополнение к ячейкам биотоплива электронная кожа содержит биосенсоры, которые могут анализировать метаболическую информацию. С их помощью определяются уровни глюкозы, мочевины и pH, осуществляется мониторинг больных диабетом, ишемией и другими заболеваниями. Электронная кожа, сделанная из мягких материалов и прикрепленная к коже человека, выполняет биоанализ в режиме реального времени, «питаясь» исключительно потом.

Ранее разработанные носимые биотопливные ячейки не производят много энергии и не очень стабильны. Специалисты Калифорнийского института значительно улучшили выходную мощность и стабильность биотопливных элементов, используя новые наноматериалы для двух электродов элемента. Катод ячейки состоит из сетки углеродных нанотрубок с напылением наночастиц, содержащих платину и кобальт. Анод представляет собой нанокомпозитный материал, который содержит фермент, расщепляющий молочную кислоту.

Биотопливные элементы могут генерировать непрерывный, стабильный выходной сигнал до нескольких милливатт на квадратный сантиметр в течение нескольких дней от пота человека. Этого достаточно для питания биосенсоров и беспроводной связи.

Исследователи успешно испытывают электронную кожу на людях путем мониторинга уровня глюкозы, pH, ионов аммония и мочевины. E-skin также демонстрирует отличные результаты в качестве интерфейса человек-машина для управления движением руки-робота и протезированной ноги.

Что дальше

Исследования продолжаются. Ученые планируют дополнительно улучшить выходную мощность биотопливных ячеек и интегрировать различные биосенсоры. Разработка полностью автоматизированной электронной кожи открывает двери для многочисленных роботизированных и носимых медицинских услуг.

Сенсорные матрицы можно использовать для мониторинга состояния здоровья, ранней диагностики заболеваний и других целей. Кроме того, электронная кожа с автономным питанием может применяться для разработки и оптимизации протезов следующего поколения.