Гибкие волокна из углеродных нанотрубок, вплетенные в одежду, точно снимают ЭКГ и измеряют пульс

Комфортная одежда может стать более эффективной альтернативой неудобным умным часам или нагрудным ремням для мониторинга сердца.

Эта идея лежит в основе «умной одежды», разработанной в лаборатории Университета Райса, которая использовала проводящую нить из нанотрубок для встраивания функций в обычную одежду.

Лаборатория химического и биомолекулярного инженера Маттео Паскуали сообщила в журнале Американского химического общества Nano Letters, что нити из нанотрубок были вшиты в спортивную одежду для мониторинга частоты сердечных сокращений и непрерывной записи электрокардиограммы (ЭКГ).

По словам исследователей, волокна так же проводят ток, как металлические провода, но при этом их можно стирать, они комфортны и гораздо меньше ломаются при движении тела.

В целом, модифицированная рубашка показала себя лучше стандартного нагрудного монитора при сборе данных в реальном времени во время экспериментов. При сравнении с коммерческими медицинскими электродными мониторами рубашка с углеродными нанотрубками давала немного более четкие ЭКГ.

«Рубашка должна плотно прилегать к груди», — сказала аспирант Райса Лорен Тейлор, ведущий автор исследования. — «В будущих исследованиях мы сосредоточимся на использовании более плотных участков нитей из углеродных нанотрубок, чтобы увеличить площадь контакта с кожей».

Исследователи отметили, что волокна из нанотрубок мягкие и гибкие, а одежда с ними пригодна для машинной стирки. Волокна можно вшивать в ткань на швейной машине, как обычную нить. Зигзагообразная строчка позволяет ткани растягиваться, не разрывая их.

По словам Тейлор, волокна не только обеспечивали стабильный электрический контакт с кожей пользователя, но и служили электродами для подключения электроники, такой как Bluetooth-передатчики, для передачи данных на смартфон или подключения к монитору Холтера, который можно убрать в карман.

Лаборатория Паскуали представила волокно из углеродных нанотрубок в 2013 году. С тех пор волокна, каждое из которых содержит десятки миллиардов нанотрубок, изучались для использования в качестве мостов для восстановления поврежденных сердец, в качестве электрических интерфейсов с мозгом, в кохлеарных имплантатах, в качестве гибких антенн, а также в автомобильной и аэрокосмической отраслях. Их разработка также является частью инициативы Carbon Hub, межвузовского исследовательского проекта под руководством Университета Райса, запущенного в 2019 году.

Первоначальные нити из нанотрубок, шириной около 22 микрон, были слишком тонкими для швейной машины. Тейлор рассказала, что для создания пригодной для шитья нити использовался канатный станок: по сути, три пучка по семь нитей в каждом, сплетенные в размер, примерно эквивалентный обычной нити.

«Мы работали с человеком, который продает небольшие станки для изготовления канатов для моделей кораблей», — сказала Тейлор, которая сначала пыталась сплести нить вручную, с ограниченным успехом. — «Он смог сделать нам устройство среднего масштаба, которое делает то же самое».

Она отметила, что зигзагообразный узор можно настроить в зависимости от того, насколько вероятно растяжение ткани. Команда работает с доктором Мехди Разави и его коллегами из Техасского института сердца, чтобы выяснить, как максимизировать контакт с кожей.

По словам исследователей, волокна, вплетенные в ткань, также можно использовать для встраивания антенн или светодиодов. Незначительные изменения геометрии волокон и связанной с ними электроники в будущем могут позволить одежде отслеживать жизненно важные показатели, мышечное усилие или частоту дыхания.

Тейлор отметила, что другие потенциальные области применения включают интерфейсы «человек-машина» для автомобилей или мягкой робототехники, а также антенны, мониторы здоровья и баллистическую защиту в военной форме. «Мы вместе с коллегой несколько лет назад продемонстрировали, что волокна из углеродных нанотрубок лучше рассеивают энергию на единицу веса, чем кевлар, и это без некоторых улучшений в прочности на разрыв, достигнутых с тех пор», — сказала она.

«Мы видим, что после двух десятилетий разработок в лабораториях по всему миру этот материал работает во все большем числе приложений», — сказал Паскуали. — «Благодаря сочетанию проводимости, хорошего контакта с кожей, биосовместимости и мягкости, нити из углеродных нанотрубок являются естественным компонентом для носимых устройств».

Он отметил, что рынок носимых устройств, хотя и относительно небольшой, может стать точкой входа для нового поколения устойчивых материалов, которые можно получать из углеводородов путем прямого расщепления — процесса, который также производит чистый водород. Разработка таких материалов является одним из направлений Carbon Hub.

«Мы находимся в той же ситуации, что и солнечные элементы несколько десятилетий назад», — сказал Паскуали. — «Нам нужны лидеры в области применения, которые могут создать спрос для масштабирования производства и повышения эффективности».