Mekani magnetoelastični senzor meri zamor iz pokreta očne jabučice u realnom vremenu

U proteklim decenijama, inženjeri elektronike razvijali su sve naprednije senzore koji mogu pouzdano meriti širok dijapazon fizioloških signala, uključujući brzinu otkucaja srca, krvni pritisak, brzinu disanja i zasićenje kiseonikom.

Ovi senzori su korišćeni za pravljenje i biomedicinskih i direktno potrošačkih nosivih uređaja, unapređujući istraživanje i nadzor zdravstvenih pokazatelja u realnom vremenu, kao što su kvalitet sna i fiziološki stres.

Preporučujemo

Zamor, kao mentalno stanje obeležen slabljenjem učinka zbog stresa, nedostatka sna, preterane aktivnosti ili drugih faktora, pokazao se kao teži za pouzdano kvantifikovanje. Većina postojećih metoda za merenje zamora oslanja se na ispitivanja ljudi koliko umorno se osećaju, metod snimanja električne aktivnosti mozga poznat kao elektroencefalografija (EEG) ili sisteme na bazi kamere.

Većina ovih pristupa nije pouzdana ili je primenljiva samo u laboratorijskim uslovima, pošto se oslanjaju na subjektivne procene, glomaznu opremu ili kontrolisana okruženja. Ova ograničenja sprečavaju njihovu široku primenu u svakodnevnim situacijama.

Istraživači sa Kalifornijskog univeziteta u Los Anđelesu (UCLA) nedavno su razvili novi tip mekanog senzora koji može pouzdano da meri nivoe umora na osnovu kretanja očne jabučice. Novi uređaj može da detektuje koliko često korisnik trepće, prateći promene u magnetnim svojstvima materijala izazvane mehaničkim stresom.

Studija je počela sa jednostavnim pitanjem kako možemo nadgledati zamor u stvarnom svetu, kažu istraživači. Odavno znamo da je zamor više od osećaja umora – to je postepeno slabljenje učinka vašeg tela ili uma. Dolazi tiho, utičući na pažnju, brzinu reagovanja i čak fizičku bezbednost. Ipak, merenje zamora izvan laboratorije i pomoću nekog nosivog uređaja uvek je predstavljalo izazov.

Glavni cilj istraživača bio je razvoj novog senzornog uređaja koji bi se mogao koristiti za pouzdano merenje zamora u realnom vremenu i van laboratorije. Razmatrajući fiziološke efekte zamora, ubrzo su shvatili da mogu predvideti nivoe zamora na osnovu obrazaca treptanja.

„Vaše oči se ponašaju posebno prilikom zamora. Broj treptaja se menja, brzina se smanjuje i obrazac počinje da se menja. Međutim, da li možemo detektovati te promene u kontinuitetu, bez neugodnosti i u uslovima stvarnog sveta? Smatrali smo da možemo i napravili smo nešto sasvim novo“, kažu istraživači.

Mekani senzor može da se postavi na kapak, kao druga koža. Vrlo je rastegljiv, ne zavisi od baterija radi električne energije i reaguje brzo svaki put kad osoba koja ga nosi trepne.

Senzor je napravljen tako što je provodni zlatni kalem ugrađen na tanki, termoplastični elastomer, a elastomer je postavljen na magnetoelastični film pun sićušnih magenta. Ova struktura pretvara pokret kapka u električne signale – u suštini svarajući od svakog treptaja podatke.

Ova tehnologija predstavlja potpuno nosiv, samonapajajući sistem sa ugrađenim bežičnim prenosom, dizajniran za svakodnevnu upotrebu, ne samo u klinikama ili istraživačkim laboratorijama, već u stvarnom svetu gde je zamor bitan – na putevima, u učionicama i na zahtevnim poslovima.

Bez obzira na to da li su nosivi na telu ili se implantiraju, bioelektronski uređaji bi trebalo da rade pouzdano u veoma vlažnim sredinama, pošto će neizbežno biti izloženi znoju ili internim telesnim tečnostima. Ipak, većina postojećih senzora za praćenje fizioloških signala nisu suštinski vodootporni.

Poboljšanje njihove otpornosti na vodu obično zahteva dodatne omotavajuće slojeve, koji često povećavaju debljinu uređaja i smanjuju učinak, npr. redukujući osetljivost. Radi postizanja intrinsične vodootpornosti, istraživači su razmatrali razne prirodne energetske modalitete – elektricitet, magnetizam, toplotu i svetlost.

Funkcionisanje senzora oslanja se na varijacije magnetnog polja, nevidljive sile koje okružuju sve magnetne materijale. Ove sile mogu da prođu kroz vodu i nema negativnog uticaja vlažnosti.

Magnetoelastičnost je viđena samo kod tvrdih metala i legura otkako je otkrivena 1865, zahtevajući mehaničke pritiske od 10 Mpa, što su uslovi nekompatibilni sa mekanom, fleksibilnom elektronikom. Istraživači su pretpostavili da bi moglo biti moguće proširiti magnetoelastični efekat na meke polimerske sisteme.

Godine 2021, prvi put je otkriven ogromni magnetoelastični efekat kod mekanih polimerskih kompozita – kad su ti materijali bili pod mehaničkim pristiscima, fluks magnetnih polja kroz njih bio je znatno izmenjen.

Ova studija je pokazala da se magnetoelastičnost može realizovati u mekanim materijalima, sa početnim pritiscima redukovanim na oko 10 kPa, što je ostvarivo putem prirodnih biomehaničkih aktivnosti kao što su otkucaji srca, disanje i kretanje očiju. Istraživači sa UCLA predvode razvoj polja mekane magnetoelastične bioelektronike, radeći na primeni u širokom dijapazonu biomedicinskih i zdravstvenih tehnologija.

Efekat koji su istraživači osmotrili kod mekanih polimerskih kompozita, poznat kao magnetoelastični efekat, već je osmotren kod drugih materijala u prošlosti. Efekat je otkrio italijanski fizičar Emilio Vilari 1865, ali je dosad viđen prvenstveno kod rigidnih metala i metalnih legura sa eksterno primenjenim magnetnim poljem.

Istraživači sa UCLA su otkrili ogromni magnetoelastični efekat u mekanom polimerskom sistemu, kasnije u likvidnom permanentnom fluidnom magnetu. Ogromni magnetoelastični efekat je dalje udružen sa magnetnom indukcijom radi dobijanja mekanog magnetoelastičnog generatora kao fundamentalno nove platforme za mekanu bioelektroniku koja dobija energiju od ljudskog tela.

Ova inherentno vodootporna, magnetoelastična bioelektronika mogla bi se koristiti za stvaranje širokog spektra senzornih uređaja. Osim merenja zamora, moglo bi se obezbediti predviđanje drugih važnih parametara povezanih sa zdravljem, kao i promena u životnoj sredini.

Otkriće magnetoelastičnog efekta u mekanim sistemima je uvedeno u razne istraživačke oblasti kao fundamentalno nov mehanizam, uključujući ulaznu i izlaznu likvidnu bioelektroniku, likvidne akustične senzore, praćenje pulsnih talasa, govor bez vokalnog grebena, haptičku percepciju, implantabilno kardiovaskularno nadziranje, respiratorno nadiranje, mišićnu fizioterapiju, interfejs čovek-mašina, personalnu termoregulaciju, čak i sakupljanje energije vetra, energije vodenih talasa i biomehaničke energije.

Novi senzor za merenje zamora mogao bi uskoro biti unapređen i pušten na tržište. U međuvremenu, istraživači rade na drugim bioelektronskim uređajima na bazi ogromnog magnetoelastičnog efekta koji su otkrili u ranijim radovima.

„U širem smislu, ogromni magnetoelastični efekat u mekanim sistemima predstavlja transformativno naučno otkriće, ali njegov pun teorijski i eksperimentalni potencijal još nije otkriven“, kažu istraživači.

U toku je rad na sveobuhvatnom razumevanju ovog fenomena i njegovoj upotrebi za novu klasu inteligentnih, osetljivih tehnologija. Istraživanje integracije u širok spektar primena – od bioelektronike do meke robotike – treba da podstakne napredak koji će redefinisati interfejs između materijala i života, dovodeći na kraju do velikog društvenog napretka i buduće produktivnosti.

(Telegraf Nauka/TechXplore)