Rózsaszirmoktól ellesett izzadságmonitorozó érzékelők

A Cyborg and Bionic Systems folyóiratban augusztus 5-én jelent meg a Waseda University kutatóinak tanulmánya, amelyben viselhető eszközökbe építhető olyan izzadságmonitorozó érzékelőkről számoltak be, amelyek működési elvét a mérnökök a rózsaszirmoktól lesték el. A hagyományos, viselhető eszközökbe integrált izzadságérzékelők hidrofób ionszelektív membránokat (ISM-eket) alkalmaznak, amelyek szoros érintkezést és ragasztóanyagokat igényelnek a jelstabilitás fenntartásához. Ez azonban a felhasználóknál diszkomfort érzetet, sőt, bőrbetegségeket okozhat, így a kutatók a bőrrel nem érintkező alternatívák kifejlesztésén gondolkodtak. A most közölt tanulmányban olyan új ISM-alapú izzadságérzékelők kifejlesztéséről számoltak be, amelyek javított jelstabilitással és teljesítménnyel rendelkeznek, elkerülik a bőrfelülettel való érintkezést, és újrahasználhatók, így mindennapos használatra is praktikusak.

A viselhető érzékelők segíthetnek a kritikus egészségügyi problémák megelőzésében azáltal, hogy folyamatosan, valós időben figyelik a fiziológiai tényezőket. Az izzadság monitorozása értékes betekintést nyújthat például az elektrolit-egyensúlyba és további, általános egészségi állapotot tükröző markerekbe is. Az izzadság nátriumkoncentrációja kulcsfontosságú mutatója a hidratáltságnak és az izomteljesítménynek. A viselhető izzadságérzékelők fejlesztésének középpontjában a vékonyfóliás anyagok, mint például a karbon nanocsövek (CNT; carbon nanotubes) és az ionszelektív membránok (ISM) állnak. A CNT-k kiváló mechanikai rugalmasságot és elektromos vezetőképességet kínálnak, míg az ISM-ek lehetővé teszik a specifikus ionok nem invazív észlelését az izzadságban. Sajnos azonban az ISM-ek alapvetően hidrofóbok, ami azt jelenti, hogy taszítják a vizet, így az izzadságot is. Ez pedig alacsony jelstabilitáshoz és ingadozó válaszidőhöz vezet. Ezenkívül a testmozgás és a súrlódás gyakran zavarja az érzékelők méréseit, emiatt a legtöbb izzadságérzékelőnek szoros érintkezésre van szüksége a bőrrel, és az sem ritka, hogy felhelyezése valamilyen ragasztót igényel. Azonban a szoros érintkezés kényelmetlen lehet, míg a hosszú távú ragasztóhasználat negatívan befolyásolhatja a bőr egészségét, fertőzéseket, irritációt okozhat.

Ezeknek a problémáknak a megoldására vállalkozott a Marc Josep Montagut Marques által vezetett kutatócsapat, amely egy természet által inspirált új megoldással rukkolt elő.

“A rózsaszirmokat utánozva egy különleges mikrotextúrájú ISM-et terveztünk, amely jobb nedvességfelvételt tesz lehetővé és öntisztító tulajdonságokkal rendelkezik” – nyilatkozta Marques. “Ez a két tulajdonság tette lehetővé, hogy elkerülhessük az érzékelő bőrrel való érintkezését, ellentétben a hagyományos érzékelőkkel, amelyek gyakran cserélendő, ragacsos tapaszokat igényelnek.”

A rózsaszirmok egyedi nedvességfelvételi tulajdonságokkal rendelkeznek: amikor kis mennyiségű víznek vannak kitéve, hidrofilek, lehetővé téve a vízcseppek tapadását. De amikor a víz mennyisége egy bizonyos küszöböt meghalad, felületeik hidrofób tulajdonságúvá válnak, kiváltva egy olyan öntisztító hatást, amely taszítja a vizet. A rózsaszirmok mikrotextúrájának tanulmányozása során a kutatócsoport felfedezte, hogy ez a kettős tulajdonság abból ered, hogy a belső szirmok aprócska mikrogödrökkel rendelkeznek, míg a külső szirmok felszínén sokszögletű szigetecskék találhatók, amelyeket ráncok és tüskeszerű kiemelkedések vesznek körül.

A kétféle szirmot mintázva a csapat két polivinil-klorid (PVC) alapú ISM-et készített karbon-nanocső (CNT) alapra rétegezve. Az egyik (A) érzékelő a belső szirmok mikrotextúráját másolta, míg a B szenzor a külső szirmokét. Mindkét érzékelő lényegesen jobb vízmegtartást mutatott statikus körülmények között a hagyományos ISM-ekhez képest. Különösen az A érzékelő mutatott kiváló vízmegtartási képességet, így alkalmas volt az emberi izzadság mozgás közbeni monitorozására.

Az érzékelőkben rejlő lehetőségek demonstrálására a kutatók 3D-nyomtatott, viselhető izzadságmonitorozó eszközöket készítettek. Ezek az eszközök mikrotartályokat használtak az izzadság érzékelőkhöz juttatására, 2 milliméteres réssel a bőrrel való érintkezés elkerülésére, csökkentve a bőrirritációt és javítva a felhasználói kényelmet.

Futókon végzett tesztek során az eszközök pontosan nyomon követték az izzadság nátriumkoncentrációját, jelezve az elektrolitveszteséget. Az önmagukat tisztító funkciónak köszönhetően az érzékelők egy izzadság-visszaforgatási mechanizmussal is rendelkeznek: kis mértékű verejtékezés időszakaiban az érzékelők folyadékot tartanak vissza a csatornákban, és amikor az izzadság szintje túllép egy meghatározott határértéket, elindítják az öntisztító folyamatot. Ez a mechanizmus biztosítja a jelstabilitást, egyben megakadályozza a hirtelen jelcsúcsokat okozó nemkívánatos buborékok képződését.

“Érzékelőink praktikus módszert kínálnak az izzadság monitorozására. Nem igényelnek közvetlen érintkezést a bőrrel, tisztíthatók, újrahasznosíthatók, és alkalmasak viselhető eszközökbe, például okosórákba történő alkalmazásra” – összegzett ki Marques. “Ráadásul ezek az érzékelők protézisekbe és exoskeletonokba is integrálhatók, intelligens visszajelző rendszereket alkotva például idős betegek túlerőltetésének megelőzése érdekében.”

Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:

Bio-inspired, self-cleaning sweat sensors developed for comfortable wearable health monitoring

Bioinspired Microtexturing for Enhanced Sweat Adhesion in Ion-Selective Membranes

Irodalmi hivatkozás:

Marc Josep Montagut Marques et al, Bioinspired Microtexturing for Enhanced Sweat Adhesion in Ion-Selective Membranes, Cyborg and Bionic Systems (2025). DOI: 10.34133/cbsystems.0337