Умный текстиль с наномагнитами отслеживает движения мышц через кожу
Ученые создали умный текстиль из композита с наномагнитами и токопроводящей пряжи, который может чувствовать и измерять движения тела — от сокращения мышц до пульсации вен. Устройство, представленное 27 июня в журнале Matter, является самозаряжающимся, эластичным, прочным, водонепроницаемым и может быть изготовлено на швейной машине за несколько долларов. В будущем оно может помочь клиницистам в оценке мышечных травм и поддержать восстановление пациентов.
Умный текстиль технически не является тканью, но имеет похожую текстуру. Он состоит из резинового патча, наполненного наномагнитами, размером примерно с две почтовые марки. С помощью швейной машины исследователи пришили к патчу серебряную токопроводящую пряжу в форме катушки. Механические силы, такие как постукивание пальцем, могут деформировать структуру магнитных полей внутри резины, создавая электрический ток в пряже. Эти два явления — изменение магнитных полей под действием силы и генерация электричества за счет изменения магнитного потока — известны как магнитоупругий эффект и электромагнитная индукция.
"Наше устройство очень чувствительно к биомеханическому давлению, — говорит старший автор Цзюнь Чэнь из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — Оно преобразует мышечную активность в количественные, высококачественные электрические сигналы, которые беспроводным способом передаются в приложения на телефоне. Это демонстрирует потенциал для персонализированной физиотерапии и улучшения реабилитации после мышечных травм".
Устройство не только чувствительно, но и точно, детализируя движения тела вплоть до отдельных мышечных групп. Прикрепляя устройство к разным частям тела, исследователи четко измеряли движения гортани при питье воды, движения лодыжки при ходьбе и даже отслеживали пульс человека на запястье. При фиксации на бицепсе устройство может показать, сгибает ли человек руку или сжимает кулак, а также степень усилия. На основе такой информации клиницист может найти оптимальные зоны для предотвращения чрезмерной нагрузки и поощрения умеренной активности, адаптируя цели восстановления для пациентов.
Команда Чэня также проверила функциональность устройства в условиях, имитирующих реальный мир, таких как обильное потоотделение и сильный дождь, с помощью распыления воды. Сигналы оставались сильными. Помимо водонепроницаемости, устройство также эластично и прочно: оно растягивается в 3,5 раза от своей длины и выдерживает 100 000 циклов деформации. С точки зрения производства, Чэнь отмечает, что устройство легко изготовить, оно масштабируемо, а стоимость каждого патча оценивается менее чем в $3.
"Еще одна особенность устройства — его способность к самозарядке, — говорит Чэнь. — Возможность преобразовывать биомеханическую силу в электричество означает, что устройство также является генератором. Это устраняет необходимость в громоздких, тяжелых и жестких аккумуляторных блоках, обычно требуемых в дизайне носимой электроники".
Далее команда планирует сделать умный текстиль тоньше и легче для оптимизации комфорта пользователя. Чэнь и его команда, открывшие магнитоупругий эффект в мягких системах в 2021 году, также намерены изучить новые способы внедрения своих находок в другие носимые или имплантируемые биоэлектронные устройства.
"Мы также тестировали устройство для мониторинга сердечно-сосудистой системы и дыхания, — говорит Чэнь. — Однажды мы сможем заново изобрести или заменить текущие системы, такие как ЭКГ, которые требуют внешних источников питания, сделав их менее громоздкими и более удобными для ношения".