Srebrni nano-senzori obećavaju svijetlu budućnost robotike i medicine

Tehnološki napredak proteklih godina u bežičnoj komunikaciji i bežičnim mrežama senzora, kao i dostupnost multifunkcionalnih senzora, omogućili su, zahvaljujući malim izvorima energije visokog kapaciteta, razvoj multifunkcionalnih nosivih senzora. Nosivi senzori su maleni, jeftini, inteligentni i lagani elektronički uređaji koji se ciljano postave na određeni dio ljudskog tijela te je njima moguće mjeriti različite signale, kao što su brzina, ubrzanje, magnetsko polje, zvuk, naprezanje, EKG signali i sl. Ovi uređaji posebno su zanimljivi sa stanovišta medicine, jer je njima moguće dugoročno mjeriti vitalne životne funkcije i redovito ih slati osobnom liječniku, što će, kako populacija stari, biti od sve veće važnosti. 

Skupina znanstvenika sa North Carolina State University (NCSU) sveučilišta razvila je multifunkcionalne, nosive senzore od srebrnih nano-žica, koji bi se mogli koristiti u biomedicinske i vojne svrhe, ali isto tako i u sportu i robotici. Senzorima je moguće mjeriti potisak, naprezanje i bioelektroničke signale, poput signala elektrokardiograma (EKG), a osjetljivi su i na ljudski dodir, što je od posebnog interesa industriji ekrana osjetljivih na dodir. 

''Tehnologija se bazira na dva principa – fizičkoj deformaciji i promjenama električnog polja. Potonje je jako slično mehanizmu na koji funkcioniraju današnji pametni telefoni sa ekranima osjetljivima na dodir. Razlika je u tome što su senzori koje smo mi razvili rastezljivi i mogu se postaviti na različite površine, uključujući i ljudsku kožu'', kaže Shanshan Yao, doktorand na NCSU sveučilištu i glavni autor članka 'Wearable Multifunctional Sensors Using Printed Stretchable Conductors Made of Silver Nanowires', u kojem je ovaj rad predstavljen. 

''Ovi senzori mogu se koristiti u razvoju proteza koje će reagirati na ljudske pokrete te sakupljati razne korisne podatke i slati ih u realnom vremenu'', kaže doktor znanosti Yong Zhu, profesor strojarstva na NCSU sveučilištu i jedan od autora spomenutog rada. ''Osim toga, ovi bi senzori mogli biti korišteni i u robotici, za razvoj robota koji 'osjećaju' svoju okolinu, kao i za 'ugradnju' u odjeću, čime bi bilo moguće nadzirati pokrete i fizičko zdravlje pojedinca.'' 

Razvoj ovih senzora omogućio je prijašnji rad profesora Zhu-a i njegova doktoranda Feng Xu-a, objavljen pod nazivom 'Highly Conductive and Stretchable Silver Nanowire Conductors'. U tom je radu predstavljen rastezljivi vodič, čija svojstva ostaju nepromijenjena čak i uslijed velike deformacije, što je postignuto ugradnjom visokovodljivog srebra u polimer koji je moguće značajno deformirati bez promjene vodljivih svojstava materijala. 

Senzor radi na principu mjerenja promjene kapaciteta kondenzatora, spremnika energije električnog polja, koje nastaje u prostoru između dva elektronički vodljiva tijela usred razdvajanja električnog naboja. Kondenzator se, u ovom slučaju, sastoji od dvije ploče koje čine rastezljivi vodiči izrađeni od polimera i srebrnih nano-žica, između kojih se nalazi izolacijski materijal. Deformacijom rastezljivih vodiča, bilo putem dodira, rastezanja ili pritiskanja, mijenja se elektronički naboj između spomenutih ploča, odnosno, mijenja se kapacitet kondenzatora te se ta promjena mjeri senzorom. 

''Izrada ovih senzora je jeftin i jednostavan proces'', tvrdi Shanshan Yao te dodaje kako je rad senzora već demonstriran kroz nekoliko različitih područja primjene. Ovim su senzorom uspješno nadzirane kretnje palca ruke, što bi moglo biti korisno u upravljanju robotima i u korištenju raznih proteza. Isto tako, uspješno su provedeni i testovi mjerenja kretanja u tri različita slučaja – hodanje, trčanje i skakanje.

''U slučaju hodanja, skakanja i trčanja, deformacije koje se javljaju su jako velike, što uzrokuje lom mnogih senzora koji se primjenjuju u tom slučaju. Naše je senzore, s druge strane, moguće rastegnuti i do 150% njihove izvorne duljine bez smanjena njihove funkcionalnosti pa se oni mogu koristiti i u gore spomenutim mjerenjima'', tvrdi profesor Zhu. 

Osim za mjerenje ljudskih pokreta, istraživači sa NCSU-a razvili su i niz senzora za mapiranje raspodjele tlaka, što bi moglo biti od velike koristi u robotici i različitim protezama. U prilog im ide i činjenica da su njihovi senzori izuzetno reaktivni (40 milisekundi), što znači da je ovim senzorima moguće mjeriti tlak i naprezanje i prikazivati ih na ekranu u realnom vremenu, ili ih pak bežićno slati u za to predviđene institucije (bolnice, klinike itd.) 

Napredak tehnologije doveo je do poboljšanja u mnogim aspektima ljudskog života i srećom, zdravlje tu nije iznimka. Očigledan trend generalnog starenja populacije doveo je do toga da se sve više i više energije ulaže u područja rehabilitacijske robotike i razvoj raznih uređaja koji bi trebali olakšati život starim i nemoćnim članovima društva, ali isto tako i ljudima sa različitim stupnjem fizičkog oštećenja. Iako se mogu činiti kao mali i ne posebno značajan doprinos, otkrića poput rastezljivog kondenzatora imaju dalekosežne posljedice jer otvaraju vrata mnoštvu novih mogućnoti i čine stvari, koje su se dotad možda činile nepremostivima, samo još jednom u nizu nužnih, ali lako rješivih problema na našem putu prema boljoj i svjetlijoj budućnosti. 

Izvori: NCStateUny