پژوهشگران یک خالکوبی الکترونیکی موقت ساختهاند که بدون ایجاد حساسیت، سیگنالهای مغز، قلب و عضلات را با دقت بالا و برای ساعتها پایش میکند.
پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (Penn State) این نسل جدید از حسگرهای پوشیدنی را توسعه دادهاند که به شکل یک جوهر رسانای الکتریکی روی پوست نقاشی میشوند و میتوانند بدون ایجاد حساسیت یا ناراحتی، علائم حیاتی بدن را برای ساعتهای طولانی پایش کنند. این فناوری در مقایسه با الکترودهای فلزی و هیدروژلی رایج، چسبندگی بیشتر، دقت بالاتر و راحتی قابل توجهی را برای کاربران فراهم میکند و میتواند آینده تجهیزات پزشکی پوشیدنی را متحول سازد.
این فناوری جدید که نتایج آن در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است، امکان ثبت همزمان سیگنالهای مغز، قلب و عضلات را فراهم میکند. پژوهشگران معتقد هستند این جوهر هوشمند علاوه بر کاربردهای پزشکی، در حوزه توانبخشی، کنترل رباتها، ورزش، تصویربرداری پزشکی و حتی کشاورزی هوشمند نیز کاربردهای گستردهای خواهد داشت.
در سالهای گذشته، الکترودهای فلزی استاندارد اصلی برای ثبت سیگنالهای الکتریکی بدن بودند. این تجهیزات دوام بالایی داشتند، اما به دلیل سختی و انعطافناپذیری، هنگام حرکت بدن بهراحتی از پوست فاصله میگرفتند یا کاملاً جدا میشدند. این مشکل بهویژه برای بیمارانی که در دورههای فیزیوتراپی یا توانبخشی باید همزمان حرکت کنند و تحت پایش قرار بگیرند، چالش بزرگی محسوب میشد.
پس از آن، الکترودهای هیدروژلی به عنوان جایگزینی نرمتر وارد بازار شدند. این حسگرهای اسفنجمانند میتوانستند همراه با حرکات بدن کش بیایند و تماس بهتری با پوست برقرار کنند، اما یک ضعف اساسی داشتند. هیدروژل به مرور زمان رطوبت خود را از دست میدهد، خشک میشود و خاصیت کشسانی آن کاهش مییابد. در نتیجه، پس از چند ساعت یا چند روز استفاده، الکترود از روی پوست جدا میشود و کیفیت ثبت سیگنالها نیز افت میکند.
بیشتر بخوانید: تاثیر خالکوبی و تتو روی ساعت هوشمند
اکنون تیم تحقیقاتی دانشگاه پنسیلوانیا راهکاری متفاوت ارائه کرده است. آنها نوعی جوهر رسانای الکتریکی طراحی کردهاند که مستقیما روی پوست نقاشی میشود و پس از خشک شدن، به بخشی از سطح پوست تبدیل میشود. این جوهر میتواند سیگنالهای الکتروانسفالوگرافی (EEG) برای پایش فعالیت مغز، الکتروکاردیوگرافی (ECG) برای بررسی عملکرد قلب و الکترومایوگرافی (EMG) برای ثبت فعالیت عضلات را با دقت بالا اندازهگیری کند.
«لری چنگ»، استاد مهندسی علوم و مکانیک دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و نویسنده مسئول این پژوهش اعلام کرد که این فناوری از طراحیهای کاملاً شخصیسازیشده پشتیبانی میکند و میتواند پذیرش تجهیزات پوشیدنی پزشکی را در میان کاربران افزایش دهد. به گفته او، این جوهر با تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) نیز سازگار است و برخلاف بسیاری از حسگرهای فلزی، اختلال قابل توجهی در تصاویر ایجاد نمیکند.
پژوهشگران تأکید کردند که شخصیسازی این حسگرها تنها یک ویژگی ظاهری نیست. بسیاری از افراد، بهویژه کودکان، نوجوانان و افرادی که نسبت به دیده شدن تجهیزات پزشکی روی بدن خود حساس هستند، از استفاده طولانیمدت از حسگرهای رایج خودداری میکنند. امکان طراحی این حسگرها به شکل تصاویر، نمادها یا رنگهای مختلف میتواند این مانع روانی را تا حد زیادی برطرف کند.
این جوهر از ترکیب پلیمرها و اسیدها در یک محلول آبی ساخته شده است. هنگام استفاده، حالتی مشابه رنگ بدن یا گریم دارد و پس از قرار گرفتن روی پوست، کمتر از ۱۰ دقیقه زمان نیاز دارد تا خشک شود. در صورت استفاده از سشوار، این زمان حتی کوتاهتر نیز خواهد شد.
خالکوبی الکترونیکی موقت یکی از مهمترین ویژگیهای این خالکوبی الکترونیکی موقت، انعطافپذیری بسیار بالای آن است. پس از خشک شدن، این لایه میتواند تا ۱۵۰ درصد اندازه اولیه خود کشیده شود، بدون آنکه ترک بخورد یا کیفیت انتقال سیگنالهای الکتریکی کاهش یابد. این ویژگی باعث میشود حسگر حتی هنگام حرکات شدید بدن نیز عملکرد دقیقی داشته باشد.
همچنین پژوهشگران اعلام کردهاند که این جوهر در حالت اولیه تقریباً شفاف است، اما میتوان با افزودن رنگهای خوراکی، آن را به هر رنگ دلخواه تبدیل کرد. به همین دلیل، کاربران قادر خواهند بود حسگر را به شکل شخصیتهای کارتونی، طرحهای هنری یا هر تصویر دلخواه دیگری روی پوست خود نقاشی کنند. این قابلیت، تجربه استفاده از تجهیزات پزشکی را بهویژه برای کودکان بسیار دلپذیرتر میکند.
ضخامت بسیار کم این خالکوبیهای الکترونیکی نیز یکی دیگر از مزیتهای مهم آنها است. کاربر تقریباً وجود این حسگرها را روی پوست احساس نمیکند و همین موضوع احتمال ایجاد تحریک یا حساسیت پوستی را کاهش میدهد. همچنین این حسگرها به دلیل ساختار متخلخل خود، اجازه عبور رطوبت و حتی موهای بدن را میدهند و برخلاف الکترودهای سنتی، عرق و آلودگی را در خود جمع نمیکنند.
«وانچینگ ژانگ»، نویسنده اصلی این پژوهش توضیح داد که بیشتر الکترودهای تجاری در کارخانه ساخته میشوند و سپس روی پوست قرار میگیرند. این فرایند باعث ایجاد یک فاصله بسیار کوچک از هوا میان پوست و الکترود میشود که کیفیت ثبت سیگنال را کاهش میدهد. اما جوهر رسانای جدید مستقیما روی پوست قرار میگیرد و هیچ فاصله هوایی ایجاد نمیکند. همین ویژگی باعث افزایش چشمگیر دقت در ثبت سیگنالهای مغزی، قلبی و عضلانی میشود.
آزمایشهای انجامشده نشان دادهاند که این حسگرها حتی پس از ۱۲ ساعت استفاده مداوم یا هنگام انجام فعالیتهای ورزشی نیز عملکرد پایداری دارند. همچنین پژوهشگران معتقد هستند یک بطری از این جوهر میتواند برای ترسیم چندین مجموعه الکترود در طول چند روز یا حتی یک هفته کافی باشد که این موضوع هزینه استفاده از آن را نیز کاهش میدهد.
یکی دیگر از کاربردهای جالب این فناوری، کنترل تجهیزات رباتیک است. در یکی از آزمایشها، پژوهشگران سیگنالهای عضلات ساعد یک داوطلب را ثبت و آنها را به یک دست رباتیک منتقل کردند. نتیجه این بود که فرد توانست تنها با انقباض عضلات خود و بدون تماس فیزیکی، حرکات دست ربات را کنترل کند. این قابلیت میتواند در آینده نقش مهمی در توسعه اندامهای مصنوعی و سامانههای توانبخشی هوشمند ایفا کند.
تیم تحقیقاتی در مرحله بعد قصد دارد قابلیت تشخیص نشانگرهای زیستی مانند کورتیزول، گلوکز و سایر ترکیبات شیمیایی بدن را نیز به این خالکوبی الکترونیکی موقت اضافه کند. این ویژگی میتواند کاربردهای ارزشمندی در پایش بیماران مبتلا به بیماریهای مزمن، مراقبت از کودکان و حتی پزشکی از راه دور ایجاد کند. همچنین پژوهشگران ایده استفاده از این فناوری در «گیاهان هوشمند» را مطرح کردهاند تا بتوان با استفاده از حسگرهای مشابه، سلامت گیاهان و میزان قرار گرفتن آنها در معرض مواد شیمیایی را نیز پایش کرد.
این دستاورد نشان میدهد که نسل آینده تجهیزات پوشیدنی پزشکی، به جای ابزارهای حجیم و ناراحتکننده، میتواند به شکل خالکوبیهای بسیار نازک، سبک و قابل شخصیسازی روی پوست قرار گیرد؛ حسگرهایی که ضمن افزایش دقت اندازهگیری، تجربهای راحتتر و طبیعیتر را برای کاربران فراهم میکنند و مسیر تازهای را برای توسعه پزشکی هوشمند و فناوریهای پوشیدنی میگشایند.
