ساخت ابزار پایش مداوم سلامت به نازکی یک نخ

پژوهشگران دانشگاه تافتس در آمریکا نوعی رشته الکترونیکی (Thread-ectronics) توسعه داده‌اند که می‌تواند نسل جدیدی از ابزارهای پوشیدنی پزشکی را برای پایش سلامت به شکلی نامحسوس و راحت فراهم کند.

این فناوری با استفاده از رشته‌هایی بسیار نازک، سبک و انعطاف‌پذیر، امکان پایش مداوم وضعیت سلامت را بدون ایجاد مزاحمت برای کاربر فراهم می‌کند. محققان می‌گویند این رشته‌ها آن‌قدر ظریف هستند که کاربران حتی حضور آن‌ها را روی بدن یا لباس خود به‌سختی احساس می‌کنند و همین ویژگی می‌تواند استفاده از ابزارهای پزشکی پوشیدنی را برای افراد بیشتری قابل‌پذیرش کند.

بسیاری از افراد با وجود نیاز به تجهیزات پایش سلامت، به دلیل نگرانی از دیده شدن این ابزارها یا برچسب‌های اجتماعی، تمایل چندانی به استفاده از آن‌ها ندارند. این موضوع حتی با وجود گسترش ساعت‌ها و حلقه‌های هوشمند همچنان وجود دارد.

پژوهشگران دانشگاه تافتس تلاش کرده‌اند این مانع را با توسعه فناوری پوشیدنی نامحسوس برطرف کنند. در حال حاضر حدود یک‌سوم آمریکایی‌ها از ساعت‌ها و حلقه‌های هوشمند برای پایش سلامت استفاده می‌کنند، اما فناوری جدید می‌تواند تجهیزات پزشکی را به بخشی طبیعی از لباس یا حتی پوست انسان تبدیل کند.

نتایج این پژوهش در نشریه Applied Materials & Interfaces منتشر شده است. پروفسور سمیر سونکوساله و همکارانش در این مطالعه توضیح داده‌اند که چگونه مدارهای مجتمع را روی رشته‌های انعطاف‌پذیر ایجاد کرده‌اند. این مدارها از حسگرها، ترانزیستورها و سایر اجزای الکترونیکی تشکیل شده‌اند و می‌توانند عملکردی مشابه مدارهای معمولی اما در قالب الیافی بسیار باریک و قابل‌انعطاف، داشته باشند.

برای ارزیابی عملکرد این فناوری، پژوهشگران آزمایش‌های مختلفی انجام دادند. نتایج نشان داد رشته‌های الکترونیکی می‌توانند سیگنال‌های بسیار ضعیف بدن را تقویت و ثبت کنند. این سیگنال‌ها در شرایط مختلف می‌توانند نشانه‌هایی از استرس، بیماری یا تغییرات وضعیت جسمی باشند.

در یکی از آزمایش‌ها، حسگری که روی شقیقه قرار گرفته بود، توانست پلک زدن کاربر را با دقت تشخیص دهد. در آزمایشی دیگر، حسگری که روی قفسه سینه نصب شده بود، تغییرات الگوی تنفس را ثبت کرد. محققان معتقدند این قابلیت‌ها می‌تواند در آینده برای پایش مداوم بیماران، ورزشکاران یا حتی افراد سالم مورد استفاده قرار گیرد.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این رشته‌ها، انعطاف‌پذیری بالای آن‌ها است. این الیاف الکترونیکی بدون آسیب دیدن خم می‌شوند، کش می‌آیند و پیچیده می‌شوند. به همین دلیل می‌توان آن‌ها را در لباس‌های روزمره، پوشاک ورزشی یا لباس‌های کاری به کار برد؛ محیط‌هایی که استفاده از تجهیزات پزشکی معمولی دشوار است.

پژوهشگران همچنین می‌گویند این رشته‌ها قابلیت اتصال مستقیم به پوست را نیز دارند. در این حالت، آن‌ها می‌توانند داده‌های فیزیولوژیکی یا اطلاعات محیطی را به‌صورت مداوم ثبت و ارسال کنند. چنین قابلیتی می‌تواند به بهبود روند درمان، پایش وضعیت سلامت یا حتی افزایش عملکرد ورزشی کمک کند.

پروفسور سمیر سونکوساله درباره این دستاورد می‌گوید انتقال مدارهای الکترونیکی از صفحات تخت به رشته‌های آزاد، مسیر تازه‌ای برای توسعه زیست‌الکترونیک‌های پوشیدنی ایجاد کرده است؛ تجهیزاتی که بیش از آنکه شبیه سخت‌افزار باشند، مانند الیاف طبیعی عمل می‌کنند.

عملکرد این فناوری بر پایه ریزترانزیستورهای انعطاف‌پذیری است که روی رشته‌های پوشیده‌شده با طلا قرار گرفته‌اند. این ترانزیستورها از یک رسانای شبیه پلاستیک برای اتصال رشته‌های طلایی استفاده می‌کنند و نقش کنترل‌کننده جریان الکترون‌ها را بر عهده دارند.

این سامانه همچنین از ماده‌ای به نام یوتکتوژل بهره می‌برد که فاصله‌ای کمتر از یک میلی‌متر میان دو سر رشته ایجاد می‌کند. این ماده امکان کنترل جریان الکترون‌ها از طریق مقاومت‌ها، خازن‌ها و سایر اجزای الکترونیکی را فراهم می‌کند. یوتکتوژل علاوه بر پایداری بالا، با بدن انسان سازگار است و در صورت آسیب دیدن ترانزیستورها، امکان تعمیر آن‌ها را تنها با اعمال مقدار کمی گرما فراهم می‌کند.

یکی دیگر از مزیت‌های مهم این فناوری، فرایند ساده تولید آن است. برخلاف بسیاری از مدارهای مجتمع، ساخت رشته‌های الکترونیکی به لیتوگرافی نوری، دماهای بسیار بالا یا اتاق‌های تمیز نیاز ندارد. استفاده از مواد نساجی و پلیمرهای نرم باعث می‌شود تولید این فناوری در آینده با هزینه کمتر و در مقیاس انبوه امکان‌پذیر باشد.

ونشین زنگ، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکتری مهندسی برق دانشگاه تافتس، می‌گوید این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد، اما تیم تحقیقاتی انتظار دارد سرعت و دقت فرایند ساخت را افزایش دهد و مدارهای مبتنی بر رشته را به انجام وظایف پیچیده‌تر مجهز کند.

پژوهشگران معتقدند رشته‌های الکترونیکی می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در پزشکی داشته باشند. از جمله این کاربردها می‌توان به پایش تنفس نوزادان و بزرگسالان، بررسی خطر زمین خوردن سالمندان، تحلیل الگوهای حرکتی برای تشخیص افت توانایی‌های جسمی و شناختی و حتی استفاده از این رشته‌ها به‌عنوان بخیه‌های هوشمند برای پایش فرایندهای درون بدن اشاره کرد. این فناوری در کنار خالکوبی‌های الکترونیکی، برچسب‌های هوشمند پوستی و وصله‌های پزشکی، می‌تواند آینده ابزارهای پوشیدنی سلامت را به سمت تجهیزاتی نامرئی، راحت و هوشمند هدایت کند.