Waaahh! Während Babys einen natürlichen Mechanismus haben, um ihre Eltern darauf aufmerksam zu machen, dass sie einen Windelwechsel benötigen, könnte ein neuer Sensor, der von Forschern der Penn State entwickelt wurde, Mitarbeitern in Kindertagesstätten, Krankenhäusern und anderen Einrichtungen helfen, ihre Schützlinge direkter zu betreuen.
Der neue Sensor – so billig und einfach herzustellen, dass er mit einem Bleistift auf mit Natriumchlorid behandeltes Papier gezeichnet werden kann – könnte den Weg für tragbare Gesundheitsmonitore mit eigener Stromversorgung ebnen, die nicht nur in „intelligenten Windeln“, sondern auch zum Einsatz kommen um größere gesundheitliche Probleme wie Herzstillstand und Lungenentzündung vorherzusagen.
„Unser Team hat sich auf die Entwicklung von Geräten konzentriert, die lebenswichtige Informationen für die menschliche Gesundheit erfassen können“, sagte Huanyu „Larry“ Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics an der Penn State. „Das Ziel ist die frühzeitige Vorhersage von Krankheitszuständen und Gesundheitssituationen, um Probleme zu erkennen, bevor es zu spät ist.“
Cheng ist der Hauptautor einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Nano-Buchstaben, die den Design- und Herstellungsprozess für einen zuverlässigen, handgezeichneten Elektrodensensor beschreibt. Der Sensor wird mit einem Bleistift erstellt, der auf mit einer Natriumchloridlösung behandeltem Papier gezeichnet wird. Der Feuchtigkeitssensor reagiert sehr empfindlich auf Feuchtigkeitsänderungen und liefert genaue Messwerte über einen breiten Bereich relativer Feuchtigkeitswerte von 5,6 % bis 90 %.
Die Forschung zu tragbaren Sensoren habe aufgrund ihrer weitreichenden Anwendungen in der medizinischen Gesundheit, Katastrophenwarnung und militärischen Verteidigung an Dynamik gewonnen, erklärte Cheng. Flexible Feuchtigkeitssensoren werden im Gesundheitswesen für Anwendungen wie Atemüberwachung und Hautfeuchtigkeitserkennung zunehmend notwendig, aber es ist immer noch eine Herausforderung, eine hohe Empfindlichkeit und eine einfache Entsorgung mit einfachen, kostengünstigen Herstellungsprozessen zu erreichen, fügte er hinzu.
„Wir wollten etwas kostengünstiges entwickeln, das die Leute verstehen, wie man es herstellt und verwendet – und man kann nicht zugänglicher werden als mit Bleistift und Papier“, sagte Li Yang, Professor an der School of Artificial Intelligence an der chinesischen Hebei University of Technology . „Für die Herstellung benötigen Sie keine mehrere Millionen Dollar teure Ausrüstung. Sie müssen nur in der Lage sein, innerhalb der Linien einer vorgezeichneten Elektrode auf einem behandelten Stück Papier zu zeichnen. Es kann einfach und einfach durchgeführt werden schnell.“
Das Gerät macht sich die natürliche Reaktion von Papier auf Feuchtigkeitsänderungen zunutze und nutzt den Graphit im Bleistift, um mit Wassermolekülen und der Natriumchloridlösung zu interagieren. Wenn Wassermoleküle vom Papier absorbiert werden, wird die Lösung ionisiert und Elektronen beginnen zum Graphit im Bleistift zu fließen, wodurch der Sensor ausgelöst wird, der diese Änderungen der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung erkennt und ein Signal an ein Smartphone sendet, das anzeigt und zeichnet die Daten auf.
Im Wesentlichen erzeugt das Zeichnen auf dem vorbehandelten Papier innerhalb vorbehandelter Linien eine miniaturisierte Papierleiterplatte. Das Papier kann mit Kupferdrähten und leitfähiger Silberpaste an einen Computer angeschlossen werden, um als Umgebungsfeuchtigkeitsdetektor zu fungieren. Für drahtlose Anwendungen wie „intelligente Windeln“ und maskenbasierte Atmungsüberwachung wird die Zeichnung mit einer winzigen Lithiumbatterie verbunden, die die Datenübertragung an ein Smartphone über Bluetooth ermöglicht.
Für den Atmungsmonitor zeichnete das Team die Elektrode direkt auf eine mit Lösung behandelte Gesichtsmaske. Der Sensor unterschied problemlos die Mundatmung von der Nasenatmung und konnte drei Atemzustände klassifizieren: tief, regelmäßig und schnell. Cheng erklärte, dass die gesammelten Daten verwendet werden könnten, um den Beginn verschiedener Krankheitszustände wie Atemstillstand und Kurzatmigkeit zu erkennen und Möglichkeiten im intelligenten Internet der Dinge und in der Telemedizin zu bieten.
Er fügte hinzu, dass die Atemfrequenz ein grundlegendes Vitalzeichen sei und Nachforschungen haben ergeben es soll ein früher Indikator für eine Vielzahl von pathologischen Zuständen wie kardiale Ereignisse, Lungenentzündung und klinische Verschlechterung sein. Es kann auch auf emotionale Stressoren wie kognitive Belastung, Hitze, Kälte, körperliche Anstrengung und durch körperliche Betätigung verursachte Müdigkeit hinweisen.
Im Vergleich zum Atem weist die menschliche Haut eine geringere Feuchtigkeitsänderung auf, aber die Forscher konnten mit ihrem Stift-auf-Papier-Feuchtigkeitssensor immer noch Änderungen erkennen, selbst nachdem die Testpersonen eingecremt oder Sport getrieben hatten. Die Haut ist das größte Organ des Körpers, erklärte Cheng. Wenn sie Feuchtigkeit also nicht richtig verarbeitet, könnte dies darauf hindeuten, dass ein anderes Gesundheitsproblem vorliegt.
„Verschiedene Arten von Krankheitszuständen führen zu unterschiedlichen Wasserverlustraten auf unserer Haut“, sagte er. „Die Haut wird basierend auf diesen zugrunde liegenden Bedingungen unterschiedlich funktionieren, die wir mithilfe des Sensors kennzeichnen und möglicherweise charakterisieren können.“
Das Team integrierte auch vier Feuchtigkeitssensoren zwischen den absorbierenden Schichten einer Windel, um eine „intelligente Windel“ zu schaffen, die Nässe erkennen und bei einem Wechsel warnen kann.
„Dieser Antrag wurde eigentlich aus persönlicher Erfahrung geboren“, sagte Cheng, der Vater von zwei kleinen Kindern ist. „Es gibt keinen einfachen Weg, um zu wissen, wie nass ist, und diese Informationen könnten für Eltern sehr wertvoll sein. Der Sensor kann kurzfristig Daten liefern, um auf Windelwechsel aufmerksam zu machen, aber auch langfristig, um Muster aufzuzeigen die Eltern über den allgemeinen Gesundheitszustand ihres Kindes informieren können.“
Die Anwendungen des Feuchtigkeitssensors gehen über „intelligente Windeln“ und die Überwachung von Atmung und Schweiß hinaus, erklärte Cheng. Das Team setzte den Sensor auch als berührungslosen Schalter ein, der die Feuchtigkeitsänderungen in der Luft durch die Anwesenheit eines Fingers erfassen konnte, ohne dass der Finger den Sensor berührte. Das Team nutzte den berührungslosen Schalter, um einen kleinen Aufzug zu bedienen, auf einer Tastatur zu spielen und ein LED-Array zum Leuchten zu bringen.
„Die Atome auf dem Finger müssen den Knopf nicht berühren, sie müssen nur nahe der Oberfläche sein, um die Wassermoleküle zu diffundieren und das Signal auszulösen“, sagte Cheng. „Wenn wir darüber nachdenken, was wir aus der Pandemie über die Notwendigkeit gelernt haben, den Kontakt des Körpers mit gemeinsam genutzten Oberflächen zu begrenzen, könnte ein Sensor wie dieser ein wichtiges Instrument sein, um eine mögliche Kontamination zu stoppen.“
Mehr Informationen:
Guangyu Niu et al, Bleistift-auf-Papier-Feuchtigkeitssensor, behandelt mit NaCl-Lösung zur Gesundheitsüberwachung und Hautcharakterisierung, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04384