Ученые из Японии и Кореи создали гибкий датчик сердечных сокращений, самостоятельно вырабатывающий энергию для своей работы с помощью эластичной солнечной панели. Возможность использования его для регистрации сердечной активности была подтверждена на крысах и человеке, рассказывают авторы в Nature.

Разработчики носимых устройств предполагают, что в будущем они будут полностью выполнены из гибких и растягиваемых материалов, не мешающих человеку. Часть технологий, необходимых для создания таких устройств уже создана, но пока некоторые компоненты, особенно источники питания, сложно сделать полностью удовлетворяющими потребностям гибкой электроники. В начале 2018 года ученые под руководством Такао Сомэя (Takao Someya) из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) представили гибкие солнечные панели, которые можно наносить на ткань или другие гибкие подложки.

В своей новой работе Такао Сомэя и его коллеги создали на базе гибких солнечных панелей полноценное устройство с датчиком растяжения, способное вырабатывать достаточно энергии для его работы. В качестве источника питания исследователи использовали органическую фотовольтаическую панель на основе полимерной подложки, однако обычно гибкие органические панели имеют заметно меньшую эффективность, чем жесткие. Разработчики решили эту проблему, создав регулярные повторяющиеся наноструктуры на поверхности активного слоя панели. Для этого исследователи выбрали необычный способ — они взяли DVD-диск, на записывающей плоскости которого располагаются регулярные выпирающие структуры с подходящим исследователям размером и периодом. Ученые сняли с диска защитный слой и перенесли микроструктуру диска на поверхность полимерной пластины, которую затем использовали в качестве штампа, отпечатывающего свою структуру на слоях солнечной панели во время ее производства.

Shiming Zhang & Fabio Cicoira / Nature, 2018

DVD-диск и созданный на его основе полимерный штамп. Sungjun Park et al. / Nature, 2018

После создания множества прототипов гибких солнечных панелей разработчики протестировали их свойства и выяснили, что их коэффициент полезного действия составляет почти десять процентов. Кроме того, исследователи проверили износостойкость панелей. После 900 циклов сжатия они продолжили работать, но эффективность снизилась на четверть.

После того, как разработчики убедились в работоспособности самих солнечных панелей, они создали на их основе устройство, способное измерять частоту сердцебиения. Для этого исследователи добавили к солнечной панели органический электрохимический транзистор. Если закрепить устройство на пальце, а отходящий от него электрод на груди, то возникающая из-за сердечных сокращений разница потенциалов будет выступать в качестве напряжения смещения транзистора, влияющего на проводимость его канала.

Схема устройства для регистрации сердечных сокращений. Sungjun Park et al. / Nature, 2018

Испытания устройства на человеке и крысе показали, что по изменению тока утечки на транзисторе можно четко различать сердечные сокращения. Стоит отметить, что несмотря на то, что устройство получает достаточно энергии для своей работы из солнечного света или искусственного освещения, снимать его показания все равно необходимо с помощью внешнего устройства, поэтому его нельзя считать полностью автономным.

Датчик сердечных сокращений, закрепленный на сердце крысы, и полученные с него данные. Sungjun Park et al. / Nature, 2018

Многие ученые считают не менее перспективным источником энергии для гибких носимых устройств трибоэлектрические генераторы, превращающие механическую энергию в электрическую. В этой области уже есть разработки с достаточно высокими характеристиками. К примеру, в начале 2018 года китайские исследователи создали на основе мятой золотой фольги генератор площадью 1,5 квадратных сантиметра, способный питать от растяжения и других движений 48 светодиодов. Часть разработчиков трибоэлектрических генераторов пытаются не только повысить их эффективность, но и придать им другие свойства, важные при реальном использовании. Например, существуют прототипы прозрачных трибоэлектрических генераторов, или тканей на их основе, которые можно мять и мыть, не разрушая.

Автор: Григорий Копиев