«Электронная кожа» подслушивает сердце
Медицинский датчик заставили работать на пьезоэлектрической тяге.
Обычные медицинские анализы показывают наше состояние в тот момент, когда эти анализы делали: кардиограмма считывает сердечный ритм, пока мы лежим у врача с прилепленными электродами, анализ крови показывает уровень глюкозы, или каких-то белков, или иммунных клеток в то мгновение, когда у нас взяли кровь. Предполагается, что мы таким образом считываем физиологические параметры, которые всё время остаются более или менее одинаковыми, и это действительно так.
Есть постоянные признаки, которые позволяют отличить здоровое сердце от больного и здоровый обмен веществ от нездорового. Но бывает, что нездоровье проявляется время от времени, как, например, кровяное давление может повышаться в определённое время суток. Чтобы это увидеть, нужно следить за своей физиологией в реальном времени — то есть нужно круглосуточно носить на себе какой-нибудь медицинский прибор.
В некоторых случаях так и поступают, и те, у кого измеряли изменения кровяного давления в течение дня и ночи, знают, что прибор этот довольно велик и не очень удобен — хорошо, что носить его нужно всего сутки, а не больше. Однако для некоторых анализов таких приборов в повседневной медицинской практике и вовсе нет. Но исследователи их сейчас активно изобретают — портативные, очень маленькие датчики, которые непрерывно следят за составом пота, составом крови, сердечным ритмом. Никаких проводов у них, конечно, нет, данные они передают беспроводным Bluetooth-способом, и чтобы такой датчик работал, ему нужна батарейка. Bluetooth и батарейка накладывают определённые ограничения на конструкцию — датчик получается не особо гибким и не особо тонким.
Сотрудники Массачусетского технологического института вместе с коллегами из Сеульского национального университета описывают в Science «электронную кожу» — исключительно тонкий, во много раз тоньше человеческого волоса, и исключительно гибкий экспериментальный датчик. Основная его часть — монокристалл нитрида галлия, выращенный на графеновой подложке. У нитрида галлия есть пьезоэлектрические свойства, то есть он превращает механическую деформацию в электрический заряд. Откуда берутся механические деформации? Тонкая плёнка из нитрида галлия чувствует поверхностные акустические волны на коже, а волны эти возникают от ударов сердца. (Поверхностным и акустическими волнами называют волны, идущие вдоль поверхности твёрдого тела.) Характер кожных волн может многое сказать, например, о сердечном ритме. А если добавить к пьезоэлектрику специальную мембрану, которая чувствует соль, то датчик будет передавать данные и о составе пота.
Электрический сигнал от нитрида галлия усиливает слой золота с особой структурой, которая делает золото гибким, а принимает его специальная антенна, которая находится рядом с датчиком, но никаких проводов между ними нет. Датчик проверили на людях — добровольцы носили датчик на запястьях и шее, и он сообщал исследователям о том, как у них бьётся сердце и сколько соли в их поте.
Если сменить чувствительную мембрану, датчик сможет следить за изменениями уровня глюкозы в крови (и напоминать о том, что пора получить порцию инсулина), или за уровнем стрессового гормона кортизола, или за ещё какими-нибудь веществами. Электричество, необходимое для того, чтобы передать эти сведения, даст пьезоэлектрический двигатель из нитрида галлия и золотого усилителя. Пока что исследователи показали, что такое устройство в принципе может работать, ну, а насколько оно окажется полезным в повседневной медицинской практике, покажут дальнейшие исследования.
