Исследовательская группа под руководством профессора Сынг-Кюн Канга с кафедры материаловедения и инженерии Сеульского национального университета совместно с исследователями из Университета Данкук, Университета Аджу и Университета Пердью разработала датчик деформации с рекордной чувствительностью.
Это исследование представило сверхчувствительный, гибкий и растягивающийся датчик, объединив микротрещины с метаструктурами инновационным способом. Передовая технология позволяет диагностировать инсульт в реальном времени посредством непрерывного мониторинга кровотока, открывая новые возможности в области точной биомедицинской инженерии.
Результаты этого исследования были опубликованы в сети Интернет 20 декабря в журнале Science Advances.
Гибкие и растягивающиеся датчики деформации обнаруживают биомеханические сигналы или деформацию определенных объектов на основе изменений электрического сопротивления проводящих материалов.
Однако предыдущие датчики ограничены низкой чувствительностью и значительным снижением производительности при измерении бесконечно малых деформаций ниже 10−3 . Это ограничение создает критические проблемы при ранней диагностике заболеваний, связанных с механическими физиологическими сигналами, а также при оценке структурной надежности и упреждающей оценке безопасности.
Например, цереброваскулярные заболевания, такие как кровоизлияние в мозг или ишемия, сопровождаются бесконечно малыми деформациями, меньшими 10−3 , прежде чем они станут опасными для жизни. Аналогично, структурные материалы обычно испытывают уровни поверхностной деформации от 10−5 до 10−3 до катастрофического отказа, который может привести к значительной потере жизни.
Для решения этих проблем команда профессора Канга представила метаструктуру с отрицательным коэффициентом Пуассона, достигнув в 100 раз большей чувствительности по сравнению с предыдущими датчиками. Их датчик способен обнаруживать деформации размером до 10−5 , что эквивалентно изменению длины в масштабе одного атома на поверхности человеческого волоса.
Датчик, разработанный в ходе данного исследования, достиг ведущей в мире чувствительности к деформации за счет усиления изменений электрического сопротивления посредством контролируемого расширения наноразмерных микротрещин.
В результате была продемонстрирована возможность мониторинга бесконечно малых деформаций, сопровождающих процессы роста микроорганизмов, например, обнаружение в реальном времени контакта, вызванного ростом гиф плесени на хлебе (создание уровней деформации всего лишь 10−5 ).
Недавно разработанный датчик продемонстрировал значительный потенциал для применения в биологических средах. Исследовательская группа успешно прикрепила датчики к поверхности церебральных кровеносных сосудов внутри черепа, что позволило в режиме реального времени контролировать изменения кровяного давления и кровотока.
Это достижение подчеркивает потенциал датчика для ранней диагностики цереброваскулярных заболеваний, таких как кровоизлияние в мозг и ишемия, а также сердечно-сосудистых заболеваний, предоставляя при этом точные медицинские данные.
Кроме того, датчик состоит из биоразлагаемых материалов, что позволяет ему разлагаться естественным образом, не оставляя долгосрочных остатков в организме, что обеспечивает безопасность пациента без необходимости дополнительных хирургических вмешательств или побочных эффектов.
Исследовательская группа заявила: «Это исследование направлено не только на улучшение производительности датчиков, но и на представление новаторского подхода, который преодолевает фундаментальные ограничения предыдущих технологий. Мы ожидаем широкого применения не только в биоинженерии и медицинских устройствах, но и в таких областях, как робототехника, реагирование на стихийные бедствия и мониторинг окружающей среды».
