Носимые датчики превращаются из часов и электродов в гибкие устройства, которые обеспечивают гораздо более точные биометрические измерения и удобство для пользователей. Теперь международная группа исследователей сделала еще один шаг вперед в эволюции, напечатав датчики непосредственно на коже человека без использования тепла.
Команда под руководством Хуанью «Ларри» Ченга (Huanyu "Larry" Cheng), профессора Университета штата Пенсильвания , опубликовала свои результаты в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
«В этой статье мы сообщаем о простой, но универсально применимой технологии изготовления с использованием нового слоя, способствующего спеканию, чтобы обеспечить прямую печать для датчиков на теле», - сказал первый автор Лин Чжан (Ling Zhang), исследователь из Харбинского технологического института в Китае и в лаборатории Ченга в США.
Ченг и его коллеги ранее разработали гибкие печатные платы для использования в носимых датчиках, но печать непосредственно на коже была затруднена из-за процесса соединения металлических компонентов в датчике. Этот процесс, называемый спеканием, обычно требует температуры около 300 градусов по Цельсию, чтобы связать наночастицы серебра датчика вместе.
«Очевидно, что поверхность кожи не выдерживает такой высокой температуры», - сказал Ченг. «Чтобы обойти это ограничение, мы предложили вспомогательный слой для спекания - то, что не повредит кожу и может способствовать спеканию материала при более низкой температуре».
При добавлении наночастиц в смесь, частицы серебра спекаются при более низкой температуре, примерно 100 C.
«Это можно использовать для печати датчиков на одежде и бумаге, что полезно, но это все еще выше, чем мы можем выдержать при температуре кожи», - сказал Ченг, отметив, что около 40 C - все еще может вызвать ожог кожной ткани. «Мы изменили формулу вспомогательного слоя, изменили печатный материал и обнаружили, что мы можем спекать при комнатной температуре».
Слой, способствующий спеканию при комнатной температуре, состоит из пасты из поливинилового спирта - основного ингредиента косметических очищающих масок для лица - и карбоната кальция, который входить в состав яичной скорлупы. Этот слой уменьшает шероховатость печатной поверхности и позволяет создавать ультратонкий слой металлических рисунков, которые могут сгибаться и складываться, сохраняя при этом электромеханические возможности. Когда датчик напечатан, исследователи используют воздуходувку, такую как фен, установленный на охлаждение, для удаления воды, которая используется в качестве растворителя в чернилах.
Универсальная схема изготовления, позволяющая печатать и спекать металлические наночастицы при комнатной температуре на бумаге/ткани при создании гибких печатных плат и непосредственно на коже человека для датчиков на теле с новым слоем вспомогательного спекания. Фото: Ling Zhang, Penn State/Cheng Lab and Harbin Institute of Technology
«Результат впечатляет», - сказал Ченг. «Нам не нужно полагаться на тепло для спекания».
По словам Ченга, датчики способны точно и непрерывно регистрировать температуру, влажность, уровень кислорода в крови и сигналы сердечной деятельности. Исследователи также связали датчики на теле в сеть с возможностью беспроводной передачи, чтобы отслеживать комбинацию сигналов по мере их прохождения.
По словам Ченг, этот процесс также является экологически чистым. Датчик остается прочным в прохладной воде в течение нескольких дней, но горячий душ легко его уберет.
«Датчики можно переработать, поскольку удаление не повреждает устройство», - говорит Ченг. «И, что немаловажно, удаление также не повреждает кожу. Это особенно важно для людей с чувствительной кожей, таких как пожилые люди и младенцы. Устройство может быть полезным, не создавая дополнительной нагрузки для человека, использующего его, или для окружающей среды».
Далее исследователи планируют изменить технологию для конкретных приложений по мере необходимости, таких как точная сеть датчиков на теле, размещенная для отслеживания конкретных симптомов, связанных с COVID-19.
Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces
Источник: Phys.org / Pennsylvania State University
