×

Исследователи из Кембриджского университета посредством 3D-печати изготовили электронные волокна в 100 раз тоньше человеческого волоса, что сделало возможным создание сенсоров, превосходящих пределы обычных устройств на основе плёнки.

Это реализовано благодаря технике волоконной печати, описанной в конце сентября в журнале Science Advances. Изделия могут использоваться для изготовления носимых бесконтактных портативных респираторных датчиков, обладающих просто невероятно высокой чувствительностью. Притом, они будут недорогими и смогут подключаться к вашему смартфону для одновременного сбора информации о структуре дыхания, его звучании и общей картине.

Энди Ван, аспирант инженерного факультета и первый автор исследования, провёл любопытный эксперимент: он использовал волоконный датчик, чтобы узнать сколько выдыхаемой влаги просачивается через его лицевую респираторную маску в условиях нормального и учащённого дыхания, а так же при имитации кашля. Результаты выявили значительное превосходство оптоволоконных датчиков над коммерческими, что особенно заметно при отслеживании учащённого дыхания, говорящего об одышке.

Всё новые и новые исследования указывают, что вирусы вроде нашумевшего в этом году коронавируса могут передаваться воздушно-капельным путём, но сейчас не идёт речи о диагностике заболевания посредством разработанных Энди Ваном устройств. Но хотя волоконный датчик и не предназначен для обнаружения вирусных частиц, всё же, измерения количества и направления влаги из дыхания, просачивающейся через различные типы защитных покрытий, могут служить индикатором «слабых» мест в профилактике и защите от заболевания.

Команда обнаружила, что, особенно во время кашля, большая часть утечек из масок тканевых или хирургических происходит спереди. В то же время из масок N95, даже при плотной фиксации, большая часть утечек происходит сверху и по бокам. Тем не менее, правильное ношение обоих типов масок ослабляет поток выдыхаемого воздуха пусть и недостаточно для полной безопасности, но всё же довольно значительно.

«По сравнению с тонкоплёночными традиционными, сделанные из небольших проводящих волокон датчики особенно полезны для измерения объёма жидкости и газа в 3D. Но до сих пор было сложно распечатать и встроить их в устройства, а также производить их в масштабе», – поделилась руководитель исследования, доктор Ян Ян Шери Хуанг из Кембриджского инженерного факультета.

Из серебра и полупроводниковых полимеров доктор Хуанг и её коллеги напечатали композитные волокна. Их создали на 3D-принтере по технологии волоконной печати, создающей волокна особой структуры сердцевина-оболочка, где высокочастотный проводник обёрнут тонким защитным полимером. Аналогичная ситуация наблюдается в обычных электрических проводах, но в нашем случае особенность изделию придаёт размер: всего несколько микрометров в диаметре.

В дополнение к респираторным датчикам, пригодиться эта технология также и для создания биосовместимых волокон! Это будут устройства, аналогичные по размерам биологическим клеткам, что позволит им направлять движения самих клеток и буквально «ощущать» этот динамический процесс в виде электрических сигналов. А уже благодаря этому пользователи смогут лучше понять обстановку вокруг. Так, волокна можно прикрепить к смартфонам, которые будут либо отображать на дисплее поступающие неочевидные данные, либо сообщать их буквально через кожу человеку с ограниченными возможностями. Это достигается практически недосягаемой акустической и электрической чувствительностью датчиков.

Кроме того, волокна настолько крошечные, что невооружённым глазом практически неразличимы. Поэтому не стоит удивляться «парящей в воздухе» электронике, когда технология разовьётся до промышленных масштабов и тем более бытового использования.

«Наши оптоволоконные датчики лёгкие, дешёвые, компактные и простые в использовании, поэтому их потенциально можно превратить в устройства для домашнего тестирования, чтобы позволить широкой публике выполнять самоуправляемые тесты для получения информации о своей среде», – считает Хуанг.

Сейчас команда планирует модифицировать эту технику волоконной печати под ряд очень нужных многофункциональных датчиков, с помощью которых возможно будет обнаружить больше веществ в дыхании для мобильного мониторинга здоровья или для приложений био-интерфейсов устройств.

В сухом остатке получается, что 3D-печать крошечных прозрачных электропроводящих волокон может быть использована для создания устройств, которые в состоянии не просто быть полезными для записи дыхания и управления движением настоящих живых биологических клеток, но и, фигурально выражаясь, чувствовать запах, слышать звуки и воспринимать прикосновения! С одной стороны, это выводит на новый уровень такие области как мониторинг и протезирование в здравоохранении, Интернет Вещей, био-приложения и био-интерфейсы. Ну а с другой – не приближает ли тот день, когда различием между нами и машинами окажутся только эмоции? 😉

 

По материалам SD, University of Cambridge и Science Advances