Как оригами может помочь в диагностике заболеваний

Исследователи из Школы инженерии им. Виттерби Университета Южной Калифорнии (USC) обратились к искусству оригами, чтобы создать новые сенсоры, которые в будущем могут использоваться для обнаружения деформаций органов, а также в носимой электронике и мягкой робототехнике.

Их статья "Высокоэластичные датчики деформации с низким гистерезисом на основе 3D-мезоструктур, вдохновлённых оригами", опубликованная в Science Advances, объясняет, как исследователи из USC Хангбо Чжао, Синхао Хуанг, Ляншу Лю, Юн Хсин Линь, Руй Фэн, Иян Шен и Юаньнин Чанг разработали "растяжимые датчики деформации", которые могут измерять, насколько объект растягивается или деформируется.

"Задача, — говорит автор-корреспондент статьи, доцент кафедры аэрокосмической и машиностроительной инженерии, а также биомедицинской инженерии USC Хангбо Чжао, — состоит в том, чтобы создать датчики, которые могут значительно растягиваться, быстро реагировать и давать точные показания даже при измерении больших и динамических деформаций".

Современные растяжимые датчики деформации в основном используют мягкие материалы, такие как резина, но этот тип материала может претерпевать необратимые изменения свойств при повторном использовании, что приводит к ненадежным показателям, связанным с обнаружением деформации.

Исследователи разработали новый тип структуры для датчиков. Вдохновившись оригами, они складывают более жесткие материалы с электродами на каждой стороне панели (представьте датчик как перевернутую открытую книгу с двумя электродами на передней и задней обложках). По мере разворачивания электродов фиксируется напряженность электрического поля между ними. Модель, разработанная командой, затем преобразует это показание в измерение, отражающее амплитуду деформации.

Вновь созданные датчики могут растягиваться в три раза от своего первоначального размера с высокой точностью измерений даже при многократном использовании. Кроме того, датчики реагируют очень быстро, обнаруживая деформации менее чем за 22 миллисекунды на очень маленьких площадях (примерно 5 квадратных миллиметров). Они также способны обнаруживать деформацию с разных направлений.

Такие датчики могут точно измерять большие и сложные деформации, что может найти применение в отслеживании движений мягких роботов, мониторинге движений суставов человека или даже наблюдении за такими органами, как мочевой пузырь, для определения аномалий, которые могут указывать на заболевание.