|
Разные: Новый носимый датчик передает информацию на расстояние в километр
|
Сотрудники Инженерного колледжа штата Пенсильвания и две международные группы исследователей разрабатывают устройства для изучения возможностей носимых гибких антенн: они смогут передавать информацию об организме человека на расстояние километра.
Как утверждают авторы, носимая антенна изгибается, растягивается, сжимается без ущерба для своей работы.
Носимые датчики и носимый передатчик должены быть безопасными для кожи человека, а также работать при комнатной температуре, выдерживать скручивания, сжатие и растяжение.
Однако гибкость передатчика создает уникальную проблему: когда антенны сжимаются или растягиваются, их резонансная частота (RF) изменяется, и они передают радиосигналы на длинах волн, которые могут не совпадать с теми, которые предназначены для приемников антенны.
Поэтому в новой работе исследовательская группа создала гибкий передатчик из нескольких слоев. Основываясь на предыдущих работах, авторы создали медную сетку с рисунком из волнистых линий: она образует нижний слой, который касается кожи, и верхний слой, который служит излучающим элементом в антенне.
Верхний слой создает двойную дугу при сжатии, а также может растягиваться. Когда антенная сетка с некоторой периодичностью, это улучшает общую гибкость слоя и уменьшает радиочастотные колебания между состояниями антенны, отмечают авторы.
Передатчик, который может передавать данные на расстоянии километра, можно использовать для компьютерных чипов или датчиков. При дальнейших исследованиях его можно использовать для мониторинга здоровья и при клиническом лечении, а также в производстве и хранении энергии.
Из пота человека сделали биотопливо для питания носимых устройств
Ученые разрабатывают биотопливные элементы, которые приводят в действие носимую электронику исключительно за счет человеческого пота. Исследование публикует Journal of Power Sources.
За последние несколько десятилетий миниатюризация электронных устройств достигла огромных успехов. Сегодня, после смартфонов и множества вариантов беспроводной связи, есть особый тип устройств, разработка которых неуклонно продвигается вперед. Речь идет о носимых биосенсорах. Эти крошечные устройства обычно предназначены для ношения непосредственно на коже для измерения конкретных биосигналов. Данные с них отправляются результаты по беспроводной сети на смартфоны или компьютеры для отслеживания состояния здоровья пользователя.
Проблема в том, что такие устройства необходимо постоянно заряжать и найти подходящий источник питания для носимых биосенсоров сложно. Традиционные батарейки, которые используются в наручных часах и карманных калькуляторах, слишком толстые и громоздкие. Более тонкие батарейки создают проблемы с емкостью и даже с безопасностью. Но что, если бы человек сам были источниками питания носимых устройств?
Группа ученых под руководством доцента Исао Шитанда из Токийского университета науки, Япония, изучает эффективные способы использования пота в качестве единственного источника энергии для носимой электроники. В своем последнем исследовании, опубликованном в Journal of Power Sources, они представили новую конструкцию массива биотопливных ячеек. В ней используется химическая составляющая пота — лактат — для выработки энергии, достаточной для работы биосенсора и устройств беспроводной связи в течение короткого времени.
Новый массив биотопливных элементов выглядит как бумажная повязка, которую можно носить, например, на руке или предплечье. По сути, он состоит из водоотталкивающей бумажной основы, на которой последовательно и параллельно выложено несколько биотопливных элементов. Количество ячеек зависит от выходного напряжения и требуемой мощности. В каждой из них электрохимические реакции между лактатом и ферментом, присутствующим в электродах, производят электрический ток. Он, в свою очередь, движется к общему токоприемнику, сделанному из проводящей углеродной пасты.
Это не первый биотопливный элемент на основе лактата, но некоторые ключевые отличия выделяют новую конструкцию среди существующих биотопливных элементов. В частности устройство изготавливается с помощью трафаретной печати. Этот метод подходит для рентабельного массового производства.
Исследование проводилось в сотрудничестве с доктором Сейя Цуджимура из Университета Цукуба, доктором Цутому Микава из RIKEN и доктором Хироюки Мацуи из Университета Ямагата, все в Японии.
В Сколтехе разработали сенсор для мониторинга уровня «гормона стресса»
Исследователи Сколтеха разработали прототип флуоресцентного сенсора для непрерывного мониторинга концентрации кортизола в организме человека в режиме реального времени. Разработка может использоваться для контроля различных патологических состояний.
Существующие лабораторные методы, в частности, твердофазный иммуноферментный анализ (ИФА), обеспечивают необходимую надежность результата, но требуют предварительной подготовки образцов, что не позволяет использовать их в режиме реального времени. «Во-первых, мониторинг уровня аналитов in vivo сам по себе является непростой задачей. Во-вторых, молекула кортизола относительно невелика.
Наконец, забор образцов крови – процедура, вызывающая стресс как у животных (мышей или крыс), так и у людей, а в стрессовом состоянии концентрация кортизола повышается, и результат анализа оказывается недостоверным. Задача исследования − разработать имплантируемый сенсор для контроля кортизола непосредственно в кровотоке», − рассказывает один из авторов статьи, профессор Сколтеха и Университета Северного Техаса (США) Владимир Драчев.
Владимир Драчев и его коллеги из Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам (CDMM) создали прототип иммуносенсора с использованием наночастиц золота для контроля уровня кортизола. Содержащийся в образце свободный кортизол вытесняет комплексы кортизола и бычьего сывороточного альбумина (БСА) с флуоресцентной маркировкой, которые соединяются с моноклональными антителами к кортизолу и размещаются на «наноостровках» из золота на сенсоре. Концентрацию кортизола в образце можно измерять по уровню флуоресценции.
Исследование проводится в сотрудничестве с группой биологов Сколтеха под руководством Юрия Котелевцева. Исследователи провели тесты in vitro, показавшие, что новый сенсор способен регистрировать минимальный уровень кортизола − 0,02 мкг на миллилитр, что соответствует нормальному уровню гормона в плазме крови человека. Также в тестах in vitro была продемонстрирована обратимость отклика на кортизол.
Исследователи надеются, что на основе предложенного метода можно будет создать имплантируемый сенсор для непрерывного мониторинга концентрации кортизола в крови в режиме реального времени. Предполагается, что имплантируемый сенсор будет иметь вид оптического волокна, на конце которого находится капиллярная ячейка с полупроницаемой мембраной, помещенной в тонкую иглу, подключаемую к портативному спектрометру по оптоволокну.
«Нам необходимо разработать имплантируемый сенсор с полупроницаемой мембраной, отделяющей небольшие молекулы типа кортизола от белков и других составляющих биологической жидкости (крови, слюны, внутритканевой жидкости). Подобные устройства для измерения глюкозы уже существуют. Для создания имплантируемого сенсора еще предстоит решить ряд сложных задач», − отмечает Владимир Драчев.
Нанодатчик на основе ИИ научили отслеживать биологические молекулы
Ученые из США разработали нанодатчики на основе ИИ, которые позволяют исследователям отслеживать различные виды биологических молекул, не беспокоя их.
Исследователи объяснили, что мир биомолекул богат увлекательными взаимодействиями между множеством различных агентов. Например, белки, липидные комплексы, ДНК и углеводы. Однако способы, с помощью которых биомолекулы встречаются и взаимодействуют, чрезвычайно сложны.
В новой инновационной технике используются нанотехнологии, мета-поверхности, инфракрасное излучение и искусственный интеллект (ИИ). Подробности разработки можно увидеть в научном издании Advanced Materials.
Мета-поверхности — это созданные человеком материалы с улучшенными возможностями манипулирования светом на наноуровне, что позволяет выполнять функции, выходящие за рамки того, что мы видим в природе. Здесь их точно спроектированные метаатомы, изготовленные из наностержней золота, действуют как усилители световещественных взаимодействий, подключаясь к плазмоническим возбуждениям, возникающим в результате коллективных колебаний свободных электронов в металлах.
Когда инфракрасные мета-поверхности ученые дополнили ИИ, новый сенсор начали использовать для анализа биологических процессов и их динамических взаимодействий.
