Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Биоэлектронный датчик на слабом магнитном эффекте

Реализуя тонкий магнитоупругий эффект в мягких материалах, исследователи создали гибкий пластырь, который функционирует как прикрепленный к коже биосенсор и сборщик энергии с беспроводной связью со смартфоном.

Инженерам известен широкий спектр физических эффектов, от хорошо известных (пьезоэлектрические эффекты) до несколько менее известных (скин-эффект) и до гораздо менее известных (эффект Коанда), и это лишь некоторые из них. Эти эффекты позволяют использовать как основные функции, так и сложные устройства благодаря тонким принципам работы.

В настоящее время команда из инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала новое гибкое биоэлектронное устройство с автономным питанием, которое также является датчиком, на основе существенного поворота менее известного магнитоупругого эффекта. Этот эффект представляет собой изменение магнитных свойств материала при механической деформации и является обратным эффекту магнитострикции. Хотя это явление наблюдается с 19 века, оно обычно ассоциируется с твердыми материалами. Однако исследователи показали, что магнитоупругий эффект может существовать в мягком и гибком материале, а не только в жестком. Чтобы доказать свою концепцию, команда использовала микроскопические магниты, рассредоточенные в силиконовой матрице толщиной с бумагу, для создания магнитного поля, сила которого изменяется по мере волнообразного движения матрицы. По мере изменения напряженности магнитного поля вырабатывается электричество, которое может аккумулироваться, в то время как вырабатываемый ток, также, может действовать как датчик (рис. 1).

Рис. 1. Показана основная мягкая система, основанная на магнитоупругом эффекте, и ключевые атрибуты, которые привели к созданию комбинированного магнитоупругого генератора и его способности обнаруживать даже небольшие размерные возмущения.

Команда построила небольшой гибкий магнитоупругий генератор (МЭГ) площадью около двух квадратных сантиметров, состоящий из катализируемой платиной силиконовой полимерной матрицы (полидиметилсилоксана) и жидкометаллических катушек неодим-железо-борных наномагнетиков в спиралевидном расположении в качестве слоя магнитной индукции. (Рис. 2) .

Рис. 2. Макнитоупругий генератор – это обманчиво простая конструкция с полимерной подложкой, на вершине которой находится спираль из магнитного слоя.

Исследователи прикрепили генератор к локтю испытуемого с помощью мягкой эластичной силиконовой ленты и наблюдали магнитоупругий эффект. Он был примерно в четыре раза больше, чем устройства аналогичного размера, в которых использовались жесткие металлические сплавы, но при этом использовался тот же эффект. Их устройство генерировало ток 4,27 мА/см2 , значение, которое они поддерживают, на четыре порядка больше, чем у ближайшей сопоставимой технологии (рис. 3).

Рис. 3. Расположение датчика и достигнутые характеристики демонстрируют возможности инновационного MEG.

Используя свою полную систему и алгоритмы «датчик-смартфон», инженерам удалось извлечь ключевые сердечно-сосудистые параметры из мягкой MEG (рис. 4). Это включало такие факторы, как скорость пульсовой волны и значение K; время подъема вверх и индекс жесткости; индекс радиального увеличения и время выброса левого желудочка.

Рис. 4. В системе мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы пульсовый сигнал, измеренный мягкой MEG, усиливается и фильтруется аналоговой схемой, чтобы обеспечить достаточную детализацию формы пульсовой волны, оцифровывается через 12-битный АЦП в микроконтроллере STM32 и по беспроводной связи отправляется на смартфон через встроенный модуль Bluetooth.

Помимо анализа, разработки, конструирования и оценки мягких MEG, их работа включает обширный глубокий физический анализ взаимодействия магнитных доменов на атомном уровне. Чтобы оценить магнитный поток в различных условиях деформации, они измерили плотность потока в приспособлении GMMC (гигантская магнитомеханическая связь) (рис. 5).

Рис. 5. Приспособление для магнитомеханической связи использовалось для точных измерений магнитного потока мягкого магнитоупругого материала при различных условиях деформации.

Доцент кафедры биоинженерии и руководитель проекта Джун Чен отметил, что «уникальность этой технологии заключается в том, что она позволяет людям растягиваться и двигаться с комфортом, когда устройство прижимается к человеческой коже, а также потому, что она полагается на магнетизм, а не на электричество, влажность и нашу собственный пот не снижает его эффективности». Полная информация о конструкции MEG сенсора и их характеристиках, а также лежащих в основе физике, содержится в их статье «Гигантский магнитоупругий эффект в мягких системах для биоэлектроники», опубликованной в Nature Material.

Источник: www.electronicdesign.com