Микрофлюидный «микрочип-пластырь» проследит за физиологией спортсменов
Международная группа ученых разработала мягкую накожную систему для сбора и анализа пота. Результаты работы опубликованы в журнале Science Translational Medicine.
Пот представляет собой важную биологическую жидкость, которая может дать существенную информацию о физиологических процессах в организме. В отличие от крови пот можно собирать неинвазивно, что делает его привлекательным биоматериалом для анализов. Тем не менее, существующие методы подразумевают сбор пота абсорбирующим материалом с последующим изучением с помощью электрохимических, хроматографических и масс-спектрометрических методов в специально подготовленных лабораториях, из-за чего подобные анализы проводятся редко.
Сотрудники Иллинойского университета в Урбане-Шампейне с коллегами из других научных центров США, Южной Кореи, Франции и Китая разработали гибкую носимую аналитическую систему для пота в виде накожной аппликации. Устройство диаметром три сантиметра и толщиной около 700 микрометров состоит из нескольких слоев.
С кожей соприкасается биосовместимый акриловый липкий слой с высокой степенью адгезии (около пяти ньютонов, что примерно в пять раз превышает характеристики медицинского пластыря), который обеспечивает плотное прилегание даже к покрытой густыми пушковыми волосами и сильно вспотевшей коже. В нем есть пять отверстий диаметром три миллиметра для раздельного сбора пота.
Собранный пот поступает в микрофлюидное устройство из полидиметилсилоксана, состоящее из пяти раздельных емкостей, соединенных микроканалами с собственными собирающими отверстиями. Ближе к центру расположены четыре круглых четырехмиллиметровых резервуара для анализа кислотности, ионов хлора, лактата и глюкозы (эти показатели были выбраны, поскольку дают общую картину состояния организма). Резервуары окружены серпантинным каналом для оценки объема и скорости потоотделения. Излишки пота выводятся по микроканалам, открывающимся сбоку устройства.
В наружный слой вмонтирована кольцевая медная антенна с чипом для ближней бесконтактной связи, передающая информацию на считывающие устройства, например, на смартфон.
Все качественные и количественные анализы в микрофлюидном устройстве выполняются путем ферментативных или хромогенных химических реакций на целлюлозной матрице и оцениваются колориметрически (по изменению окраски реагента и ее интенсивности). Для калибровки автоматического определения считываемых параметров на внешнюю сторону системы нанесены один белый и четыре черных референсных маркера. Чувствительность устройства составляет 0,5 единиц для рН и 0,2, 0,3 и 0,1 миллимоль на литр для хлорида, лактата и глюкозы соответственно.
Механические характеристики устройства, такие как растяжимость и гибкость, соответствуют параметрам кожи, что обеспечивает его плотное прилегание и отсутствие дискомфорта при ношении.
Устройство может вмещать до 50 микролитров пота, что обеспечивает его работу в течение от одного до шести часов в зависимости от участка кожи и уровня потоотделения (у человека он находится в диапазоне от 12 до 120 микролитров в час на квадратный сантиметр кожи). Образцы пота из резервуаров можно использовать для последующего лабораторного анализа.
В ходе экспериментов прибор успешно определил биохимические показатели, скорость и объем потоотделения на симуляторе с заданными параметрами, а также у людей при занятии на велотренажере в помещении с искусственным климатом и при поездке на велосипеде на открытом воздухе.
Как пишут исследователи, разработанную систему можно использовать для регистрации физиологических данных при различных заболеваниях и занятиях спортом, чтобы своевременно проводить коррекцию их отклонений. Они также отмечают, что при необходимости ее можно модифицировать для регистрации других биохимических показателей, используя соответствующие реагенты.
В силу удобства применения накожные устройства все чаще вызывают интерес разработчиков. К настоящему времени созданы аппликации для выслушивания внутренних органов и голосового управления различными устройствами, контроля уровня сахара при диабете, измерения скорости кровотока, регистрации движений и ультрафиолетового облучения кожи.
Олег Лищук
Он пригодится на Марсе, Луне и ледяных спутниках планет-гигантов
Инженеры разработали концепцию робота для будущих миссий по изучению пещер на Марсе, Луне и ледяных спутниках планет-гигантов. Проект ReachBot описывает устройство с несколькими конечностями, которые способны раскладываться и дотягиваться до удаленных точек, на которых можно закрепиться с помощью захвата с металлическими шипами, сообщается в отчете NASA. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера С тех пор как орбитальные исследовательские аппараты подтвердили существование пещер под поверхностью Марса и Луны, ученые не перестают размышлять над их полноценным исследованием. Помимо ценной информации об истории формирования небесного тела, в пещерах, куда не проникают ультрафиолетовые солнечные лучи и космические заряженные частицы, могли бы сохраниться и следы внеземной жизни. До последнего времени все подвижные роботы, предназначенные для изучения других планет, разрабатывались с расчетом, что они будут передвигаться только по сравнительно ровной поверхности. Поэтому они имеют относительно простое четырех- или шестиколесное шасси, которое устойчиво и не требует много энергии, но, к сожалению, не позволяет передвигаться по крутым каменистым склонам и скалам, и потому не подходит для исследования пещер. Инженеры под руководством Марко Павоне (Marco Pavone) из Стэндфордского университета уже несколько лет работают над многоэтапным проектом ReachBot для NASA, развивающим концепцию робота, способного перемещаться по пещерам и скалам со сложным рельефом, недоступным для других видов роботов при разных уровнях гравитации. Его главная особенность заключается в необычном способе передвижения. Вместо колес или ног у него есть несколько гибких удлиняющихся конечностей, на конце которых располагаются захваты с множеством мелких металлических шипов, которые цепляются за малейшие неровности на каменной поверхности. Аналогичный способ удержания на вертикальных поверхностях применялся в прототипе робота-скалолаза LEMUR, разработанном Лабораторией реактивного движения NASA. За счет металлических шипов робот может удерживать свое положение, распределив свой вес между несколькими конечностями, пока подыскивает следующую точку опоры для одной из них. Ожидается, что ReachBot сможет передвигаться не только по стенам и потолку, но и по полу как обычный ходячий робот. Однако на данной стадии проектирования конкретной конструкции для конечностей еще нет. Разработчики оценили параметры робота для миссии по исследованию марсианской лавовой трубки с высотой от пола до потолка порядка 30 метров. Это должно быть устройство массой около 10 килограмм, с восемью конечностями, способными развертываться до 20 метров в длину, оборудованное камерами и лидаром для навигации и прокладывания маршрута, а также для картографирования окружения. На предыдущих этапах были разработаны алгоритмы движения робота на плоскости, а также построен примитивный прототип ReachBot. В качестве четырех конечностей на нем используются стальные измерительные рулетки, оснащенные механизмом поворота, который позволяет «наводить» их на объект. После чего другой механизм раскручивает рулетку, на конце которой расположен захват с металлическими шипами. Робот умеет определять положение предметов вокруг с помощью визуальных меток, дотягиваться до них конечностями, ухватываться с помощью захватов и подтягивать себя в нужном направлении. В будущем разработчики планируют построить версию, которая способна двигаться в трехмерном пространстве. https://www.youtube.com/watch?v=Q6uvS_19OcA Существуют и другие концепции исследования инопланетных пещер, куда нет доступа колесных роботам. Одна из них предполагает использование нескольких четвероногих роботов Spot Mini. Каждый из членов группы будет отличаться от других, иметь свою роль и помогать другим.