אתגר מרכזי בחיישנים לבישים המופעלים על ידי עצמם לניטור שירותי בריאות הוא הבחנה בין אותות שונים כאשר הם מתרחשים בו זמנית. חוקרים מאוניברסיטת טכנולוגיה של פן סטייט ואוניברסיטת הביי בסין התייחסו לנושא זה על ידי חשיפת מאפיין חדש של חומר חיישנים, מה שמאפשר לצוות לפתח סוג חדש של חיישן גמיש שיכול למדוד במדויק את הטמפרטורה וגם למתח פיזי בו זמנית אך בנפרד ליתר דיוק להצביע אותות שונים.
"חומר חיישנים ייחודי זה שפיתחנו יש יישומים פוטנציאליים חשובים במעקב אחר שירותי הבריאות", אמר הואניו "לארי" צ'נג, ג'יימס ל. הנדרסון, ג'וניור פרופסור חבר לזכר המדע ומכניקה (ESM) בפן סטייט ושיתוף פעולה מחבר המחקר המקביל שפורסם ב תקשורת טבעו "על ידי מדידה מדויקת של שינויי טמפרטורה וגם עיוות פיזי או זן שנוצר על ידי פצע ריפוי ומדוד שעל ידי הפרדת שני האותות הוא יכול לחולל מהפכה במעקב אחר ריפוי פצעים. הרופאים יכלו לקבל תמונה ברורה בהרבה של תהליך הריפוי, ולזהות בעיות כמו דלקת בשלב מוקדם. "
החוקרים כיוונו למדוד במדויק אותות טמפרטורה ומאמץ ללא שיחות צולבות באמצעות גרפן הנגרם על ידי לייזר, חומר דו ממדי (2D). כמו כל החומרים הדו-מימדיים כולל גרפן רגיל, גרפן הנגרם על ידי לייזר הוא אחד עד כמה אטומים בעובי עם תכונות ייחודיות, אך עם טוויסט. גרפן הנגרם על ידי לייזר (LIG) נוצר כאשר לייזר מחמם חומרים עשירים בפחמן מסוימים – כמו פלסטיק או עץ – באופן שממיר את פני השטח שלהם למבנה גרפן. הלייזר למעשה "כותב" את הגרפן ישירות על החומר, מה שהופך אותו לדרך פשוטה וניתנת להרחבה לייצור דפוסי גרפן לאלקטרוניקה, חיישנים ומכשירי אנרגיה.
LIG שימש בעבר ביישומים שונים. בעבר, צ'נג וצוותו השתמשו ב- LIG לחיישני גז, גלאים אלקטרוכימיים לניתוח זיעה, מעצבי -על ועוד. עם זאת, החוקרים אמרו כי הם מאמינים שהם גילו לראשונה מאפיין חדש של LIG, מה שהופך אותו לאידיאלי לחיישן רב-תכליתי ומדויק.
במחקר הספציפי הזה, אנו מעדים את העובדה כי לחומר זה יש גם תכונות תרמו -אלקטרוניות. אנו מאמינים שזו הפעם הראשונה שמישהו דיווח על גרפן הנגרם על ידי לייזר בעל יכולות תרמו-אלקטרוניות. וזה באמת חשוב למה שאנחנו מנסים לעשות כאן, וזה למדוד בנפרד גם שינויי טמפרטורה וגם מתח או עיוות פיזי. "
הואניו "לארי" צ'נג, ג'יימס ל. הנדרסון, ג'וניור פרופסור חבר לזכר המדע והמכניקה ההנדסית (ESM) בפן סטייט
תכונות תרמו -אלקטרוניות בחומר מתייחסות ליכולת להמיר הפרשי טמפרטורה למתח חשמלי ולהיפך, מה שמאפשר להשתמש בחומרים כאלה ליישומים כמו קציר אנרגיה וחישת טמפרטורה. לדברי צ'נג, המאפיין התרמו -אלקטרי החדש שזוהה לאחרונה של LIG מקל על הפרדת שתי מדידות החיישנים ואידיאלי ליישומי שירותי בריאות כמו חיישן המוטבע בתחבושת.
"כשיש לך חומרים רגישים לטמפרטורה וגם למתח, זה יכול להיות מסובך לדעת איזה אות גורם לשינויים בחומר," אמר צ'נג. "אבל על ידי שימוש באפקט תרמו-אלקטרוני זה בגרפן הנגרם על ידי לייזר, אנו יכולים למעשה לפרק את שתי המדידות הללו. אנו יכולים להסתכל על ההתנגדות החשמלית כדי לקבל מידע על המתח, תוך מדידת המתח התרמי כדי לקבוע את הטמפרטורה. זו הסיבה הרופאים יכלו להשתמש בו כדי לעקוב אחר תנודות הטמפרטורה וגם שינויים גופניים באתר הפצע ולתת תמונה ברורה בהרבה של אופן התקדמות הריפוי. "
הוא גם ציין כי החיישן רגיש מאוד, ומגלה שינויי טמפרטורה קטנים כמו 0.5 מעלות צלזיוס. עיצוב החומר מנצל את הדרך בה גרפן נקבובי ורכיבים תרמו -אלקטרוניים עובדים יחד, מה שהופך אותו כמעט פי ארבעה טוב יותר בהמרת החום לחשמל. החיישן יכול גם למתוח עד 45%, כמו גם להתאים לצורות ומשטחים שונים, מבלי לאבד את התפקוד.
צ'נג אמר כי "המבנה הנקבובי של חומר זה יוצר הרבה חללים ותעלות זעירים המאפשרים לו ליצור אינטראקציה עם סביבתו בצורה רגישה מאוד". "זה הופך אותו למתאים היטב לממשק לרקמות רכות אנושיות, בניגוד לחומרים תרמו-אלקטרוניים נוקשים יותר, כמו אלה מבוססי קרמיקה."
מכיוון שההיבט התרמו-אלקטרוני של LIG פירושו גם הוא יכול לייצר כוח חשמלי כאשר יש הבדל טמפרטורה, חיישני ליג הם המופעלים על עצמם. לדברי צ'נג, זה יכול להיות שימושי במיוחד לניטור רציף במסגרות קליניות וביישומים אחרים, כמו עזרה באיתור שריפות במקומות מרוחקים.
בנוסף לזיקוק החיישן, הצוות מפתח מערכת אלחוטית שתאפשר לאנשים לפקח על הנתונים מהחיישן מרחוק. זה יאפשר לעקוב אחר מידע חשוב, כגון טמפרטורה או מתח, בזמן אמת באמצעות סמארטפונים או מכשירים אחרים.
"לדוגמה, רופא יכול לעקוב אחר מצבו של המטופל מרחוק, או שמגיבי חירום יכלו לקבל התראות על שינויי טמפרטורה מסוכנים", אמר צ'נג. "התקדמות זו שואפת להפוך את הטכנולוגיה לנגישה ויעילה יותר, ומסייעת בשיפור ניטור ובטיחות הבריאות במצבים יומיומיים."
יחד עם צ'נג, מחברי נייר אחרים כוללים את אנקן דוטה, סטודנט לתואר שני במדעי הנדסה ומכניקה בפן סטייט; ולי יאנג, שואה חן, הוי ג'אנג, זיהאן וואנג, מינגיאנג זין, שואיג'י דו וגויזי שו, כולם מאוניברסיטת הביי לטכנולוגיה.
המוסדות הלאומיים לבריאות והקרן הלאומית למדע האמריקני תמכו בעבודה זו.
