الکترود گرافنی جدید؛ ۸۰ برابر کشسانتر و مقاوم در برابر عرق و حرکت پوست
پژوهشگران یک الکترود هیدروژلی ساختهاند که میتواند تا حدود ۸۰ برابر اندازه اولیه خود کش بیاید و در عین حال روی پوست مرطوب و حتی پرمو باقی بماند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه درکسل (Drexel University) و دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (Penn State University) نوعی الکترود هیدروژلی قابلچاپ توسعه دادهاند که میتواند یکی از مشکلات قدیمی حسگرهای زیستی پوشیدنی را هدف قرار دهد: حفظ تماس پایدار با پوست در شرایط واقعی، یعنی زمانی که پوست عرق کرده، مو دارد یا دائماً در حال حرکت است.
این الکترود جدید با استفاده از ترکیبی از «گرافن القاشده با لیزر» (Laser-Induced Graphene یا LIG) و «گرافن اکسید کاهشیافته» (Reduced Graphene Oxide یا rGO) ساخته شده است و ویژگیهایی کمسابقه را در یک ماده واحد کنار هم قرار میدهد. این هیدروژل مدول یانگ بسیار پایینی در حدود ۱٫۰۸ کیلوپاسکال دارد و میتواند تا حدود ۸۰۰۰ درصد کش بیاید؛ یعنی در شرایط آزمایشگاهی قادر است به حدود ۸۰ برابر اندازه اولیه خود برسد.
اما مسئله فقط کشسانی فوقالعاده نیست. این ماده در شرایط مرطوب نیز چسبندگی بالایی به پوست دارد و میتواند در برابر عرق، مو و حرکتهای روزمره مقاومت کند. ترکیب این ویژگیها میتواند به ثبت پایدارتر سیگنالهای زیستی در استفاده طولانیمدت کمک کند؛ همان چیزی که حسگرهای پوشیدنی سالهاست برای رسیدن به آن با پوست، مو و عرق انسان درگیرند.
پایش همزمان و مداوم سیگنالهای فیزیولوژیک از قلب، مغز، عضلات و چشمها اهمیت زیادی در بررسی وضعیت جسمی و حتی روانی انسان دارد. دلیل این اهمیت آن است که بسیاری از واکنشهای بدن بهصورت جداگانه رخ نمیدهند، بلکه چندین سامانه فیزیولوژیک را همزمان تحت تأثیر قرار میدهند. برای مثال، اضطراب میتواند با تغییرات هماهنگ در ضربان قلب، تعریق، فعالیت عضلات، تنفس و حرکات چشم همراه شود.
با وجود این، الکترودهای زیستی متداول، چه از جنس فلز باشند و چه بر پایه ژلهای رسانا، در شرایط واقعی با محدودیتهای جدی روبهرو هستند. تماس این الکترودها با پوست پرمو ممکن است کاهش پیدا کند، تعریق میتواند اتصال آنها را مختل کند و حرکت بدن نیز به دلیل تفاوت مکانیکی میان پوست نرم و الکترود نسبتاً سخت، باعث ایجاد نویز در سیگنال ثبتشده شود.
هیدروژلها در سالهای اخیر بهعنوان گزینهای مناسب برای حل این مشکل مطرح شدهاند. پژوهشگران با الهام از سازوکارهای چسبندگی موجود در طبیعت، روشهای مختلفی مانند استفاده از ترکیبات کاتکولی، پیوندهای یونی و شبکههای پیوند هیدروژنی را برای افزایش چسبندگی این مواد به پوست توسعه دادهاند. با این حال، جمع کردن چند ویژگی متضاد در یک ماده واحد همچنان دشوار بوده است: نرمی بسیار زیاد، کشسانی بالا، چسبندگی قوی اما قابلجداشدن در محیط مرطوب، استحکام مکانیکی، رسانایی و قابلیت استفاده مجدد.
تیم پژوهشی برای حل این مسئله، بخش رسانای هیدروژل را از دو شکل مکمل گرافن ساخت. گرافن القاشده با لیزر، که با تابش لیزر به مواد غنی از کربن تولید میشود، ساختاری بسیار متخلخل و نسبتاً نرم دارد. در مقابل، گرافن اکسید کاهشیافته دارای ساختار مزدوج کربنی تا حدی بازیابیشده است که رسانایی بالاتر، قابلیت پراکندهشدن مناسب و استحکام مکانیکی بیشتری ایجاد میکند.
ترکیب این دو ماده باعث شد ویژگیهای متفاوت آنها در یک شبکه هیدروژلی به کار گرفته شود. گرافن القاشده با لیزر انعطافپذیری و تخلخل مورد نیاز را فراهم میکند، در حالی که گرافن اکسید کاهشیافته به بهبود رسانایی و استحکام کمک میکند. نکته جالب آن است که هر دو جزء رسانا میتوانند در محل و با استفاده از یک مرحله کاهش مبتنی بر لیزر تولید شوند.
پژوهشگران برای افزایش چسبندگی در شرایط مرطوب نیز از پلیدوپامین (Polydopamine یا PDA) و اسید تانیک (Tannic Acid یا TA) استفاده کردند. این ترکیبات به هیدروژل کمک میکنند تا حتی در حضور رطوبت، تماس خود را با سطح حفظ کند.
یکی از ویژگیهای کلیدی این فناوری، امکان کنترل زمان ژلشدن ماده است. پژوهشگران با تغییر pH محلول اولیه توانستند مدت زمانی را که مخلوط در حالت مایع باقی میماند، تنظیم کنند. به این ترتیب، ماده میتواند برای مدت کافی روان باقی بماند تا از طریق سرنگ تزریق یا با روش چاپ، در شکل موردنظر قرار گیرد و سپس روی پوست به حالت جامد درآید.
زمان ژلشدن بسته به pH از حدود ۱۳۰۰ ثانیه تا تنها ۷۲ ثانیه قابل تنظیم بود. این قابلیت باعث میشود هیدروژل موسوم به «RTLR» یا هیدروژل مبتنی بر LIG و rGO با تنظیم رادیکالیشده، برای روشهای ساخت مبتنی بر اکستروژن، از جمله چاپ سهبعدی و تزریق، مناسب باشد.
در نتیجه، پژوهشگران میتوانند الکترود را متناسب با محل قرارگیری روی بدن یا ویژگیهای فرد استفادهکننده طراحی کنند. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا شکل سطح بدن در نقاط مختلف یکسان نیست و الکترودی که روی مچ دست عملکرد مناسبی دارد، الزاماً برای پلک، قفسه سینه یا کف دست مناسب نخواهد بود.
الکترود نهایی در آزمایشها چقرمگی حدود ۱۲۴۰٫۷ کیلوژول بر مترمکعب و استحکام چسبندگی حدود ۵۱٫۹۷ کیلوپاسکال از خود نشان داد. این ماده توانست به سطوح مختلفی از جمله مس، فولاد، شیشه و لاستیک نیز چسبندگی قابلتوجهی داشته باشد.
ساختار متخلخل هیدروژل یک مزیت مهم دیگر دارد: عرق میتواند از میان شبکه ماده عبور کند، بهجای آنکه در سطح زیر حسگر جمع شود و اتصال آن به پوست را از بین ببرد. ترکیب نرمی، چسبندگی و تخلخل نیز باعث کاهش امپدانس تماس با پوست و افزایش نسبت سیگنال به نویز میشود. در آزمایشها، عملکرد حسگر در شرایط خشک، مرطوب و روی پوست پرمو پایدار باقی ماند و ثبت سیگنالهای الکتروفیزیولوژیک بدون ایجاد اختلال قابلتوجه ناشی از حرکت انجام شد.
دوام این ماده نیز مورد بررسی قرار گرفت. پژوهشگران گزارش کردند که هیدروژل را میتوان دهها بار از سطح جدا کرد و دوباره روی آن قرار داد، بدون آنکه عملکرد آن به شکل محسوسی کاهش پیدا کند. قابلیت استفاده مجدد میتواند یکی از مزیتهای مهم این فناوری در مقایسه با برخی الکترودهای یکبارمصرف باشد.
تیم پژوهشی برای ارزیابی عملکرد الکترود، چندین آزمایش ثبت سیگنال انجام داد. در آزمایشهای الکتروکاردیوگرافی یا ECG، الکترودهایی که روی مچ دست و قفسه سینه قرار گرفته بودند، حتی هنگام خمشدن و کشیدهشدن پوست توانستند سیگنال پایدار ثبت کنند.
در آزمایشهای الکتروکولوگرافی یا EOG نیز الکترودها توانستند پلکزدن و حرکات مختلف چشم را با ثبات مناسبی ثبت کنند. این نتیجه نشان میدهد هیدروژل میتواند برای نقاطی از بدن که حرکت مداوم دارند نیز کاربرد داشته باشد.
یکی از جالبترین آزمایشهای این پژوهش به پایش اضطراب مربوط میشد. پژوهشگران مجموعهای از حسگرها را روی پلک، کف دست و مچ یک داوطلب قرار دادند تا بهصورت همزمان چند نشانگر فیزیولوژیک مرتبط با اضطراب را ثبت کنند. این حسگرها تغییرات پلکزدن، تعریق از طریق فعالیت الکترودرمال پوست و ضربان قلب را هنگام گوشدادن فرد به موسیقی آرامشبخش و سپس صداهای آزاردهنده ثبت کردند.
در آزمایشی دیگر، فردی که خود را مبتلا به ترس از عنکبوت معرفی کرده بود، ویدئوهایی از عنکبوتها مشاهده کرد. حسگرها در طول آزمایش افزایش تعریق و تغییرات حرکات پلک را همزمان با افزایش واکنش اضطرابی فرد ثبت کردند. این آزمایش بهعنوان نمونهای مفهومی نشان داد که یک سامانه واحد میتواند چندین شاخص مرتبط با وضعیت فیزیولوژیک و روانی را بهصورت پیوسته دنبال کند.
این پلتفرم برای ثبت همزمان سیگنالهای ECG، EOG، EEG، EMG، فعالیت الکترودرمال پوست یا EDA و همچنین سیگنالهای مرتبط با کشش طراحی شده است. پژوهشگران، پایش اضطراب و توانبخشی عصبی را از جمله کاربردهای بالقوه این فناوری میدانند.
ابو موسی عبدالله (Abu Musa Abdullah)، پژوهشگر پسادکتری مهندسی مکانیک و مکانیک در کالج مهندسی و محاسبات نیک هاولی دانشگاه درکسل و یکی از رهبران این پژوهش، هدف نهایی از توسعه این حسگرها را ساخت زیستحسگری میداند که آنقدر راحت و قابلاعتماد باشد که کاربر بتواند زندگی روزمره خود را بدون آنکه دائماً متوجه حضور حسگر باشد، ادامه دهد.
به گفته او، انعطافپذیری در فرایند ساخت این امکان را فراهم میکند که الکترودها در شکلها و الگوهای مختلف تولید شوند و بهطور دقیق با محل موردنظر روی بدن یا ویژگیهای هر فرد تطبیق پیدا کنند. بنابراین، هدف این فناوری لزوماً ابداع یک نوع کاملاً جدید از اندازهگیری فیزیولوژیک نیست، بلکه افزایش قابلیت اطمینان روشهای موجود در شرایط واقعی و دشوار است.
کیفیت سیگنال یکی از مهمترین مسائلی است که این هیدروژل برای حل آن طراحی شده است. اگر حسگر سخت یا ناراحتکننده باشد یا هنگام حرکت تماس خود را با پوست از دست بدهد، نویز وارد دادههای ثبتشده میشود و کیفیت اطلاعات کاهش مییابد. هیدروژل جدید با تطبیق نزدیکتر با سطح پوست، حتی در نواحی پرمو، عرقکرده و متحرک، تلاش میکند این مشکل را کاهش دهد.
به نقل از نانو ایران، با وجود نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران تأکید دارند که این فناوری هنوز در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد و برای ورود به بازار به توسعه و بهینهسازی بیشتری نیاز دارد. یکی از مسیرهای آینده، تنظیم ترکیب هیدروژل برای کاربردهای خاص، از جمله حسگرهای مورد استفاده در پایش فعالیت ورزشی و توانبخشی است.
در صورت موفقیت این مراحل، ترکیب گرافن القاشده با لیزر، گرافن اکسید کاهشیافته و هیدروژل میتواند مسیر تازهای برای زیستالکترونیک پوشیدنی ایجاد کند؛ مسیری که در آن حسگر نه یک قطعه سخت چسبیده به بدن، بلکه لایهای نرم، کشسان، قابلچاپ و سازگار با حرکت طبیعی پوست خواهد بود. و ظاهراً این بار گرافن قرار نیست فقط در آزمایشگاه رکورد بزند؛ قرار است خودش را تا ۸۰ برابر بکشد و هنوز سر جای خودش بماند.
