Футболка с вышивкой из нанотрубок записала электрокардиограмму

Taylor et al / Nano Letters, 2021

Американские ученые изготовили умную футболку, которая умеет записывать электрокардиограмму. Они скрутили нити из углеродных нанотрубок, сделали ими вышивку на груди футболки и присоединили ее к аппарату Холтера. На ощупь такая футболка не отличается от обычной, ее можно стирать в стиральной машине. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

Разработке умной одежды в последние годы уделяется всё больше внимания: Nokia разработала умную куртку для спасателей со встроенным термометром, пульсометром и GPS-трекером, а Google и Levi’s выпустили куртку, которая позволяет управлять смартфоном, прикасаясь к рукаву. Но развитие этой области происходит не так быстро, как хотелось бы, и выбор умных курток и штанов все еще невелик по сравнению с выбором других носимых устройств. Найти материалы для микросхем в составе одежды непросто: они должны выдерживать стирку в стиральной машине и при этом быть прочными, легкими и нетоксичными.

Одна из функций, которую могла бы выполнять умная одежда — запись электрокардиограммы (ЭКГ). Мониторинг ЭКГ дает больше информации о здоровье пациента, чем мониторинг скорости сердцебиения, и бывает незаменим при наблюдении, например, за пациентами с аритмией. Однако, записывать ЭКГ не так просто: для этого требуется хороший контакт электродов с кожей пациента. Чтобы улучшить контакт, используют проводящий гель, однако при длительном измерении ЭКГ, гель высыхает и качество полученных диаграмм снижается. Кроме того гель может раздражать кожу пациентов и вызывать аллергию.

Американские материаловеды под руководством Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) из Университета Райса создали умную футболку, в которой для мониторинга ЭКГ используются электроды на основе нитей из углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки — прочный и нетоксичный материал с хорошей электропроводностью, а недавние исследования Паскуали и его коллег также показали, что нанотрубки имеют низкое сопротивление при контакте с кожей. 

Нити из углеродных нанотрубок авторы готовили двумя способами. В первом случае из раствора нанотрубок в хлорсульфоновой кислоте методом коагуляции растили волокна длиной около 7,5 микрометров, а затем с помощью аналога прядильной машины из этих волокон скручивали нити. Во втором случае авторы готовили водную суспензию нанотрубок и замачивали в ней обычные хлопковые нити на два часа.

Полученными нитями ученые прошивали материал — специальное оборудование для этого не требуется, достаточно обыкновенной швейной машинки. Внутренняя часть такой вышивки плотно соприкасается с кожей и может служить электродом для измерения ЭКГ. Чтобы найти оптимальный паттерн и плотность стежков, авторы изготовили разные тканевые полоски, повязали их на запястья испытуемым и протестировали методом импеданс-спектроскопии.

Затем авторы нашили паттерн на грудь футболки из эластичного синтетического материала и с помощью контактов из таких же нитей соединили его с аппаратом Холтера для измерения ЭКГ. Чтобы оценить качество кардиограмм авторы параллельно записывали ЭКГ с помощью стандартных 3M Red Dot электродов. Данные посылали для сравнения трем разным кардиологам вслепую (не сообщая, какой график каким способом был получен). Все ЭКГ, полученные умной футболкой оказались очень близки к традиционным ЭКГ — и по форме пиков и по отношению сигнал/шум. Интересно, что разницы между электродами из нитей, приготовленных разным способом, авторы не заметили — но только в первоначальных экспериментах, когда сравнивали «свежие» электроды. А вот стабильность электродов заметно отличалась. У электродов из нитей, полученных замачиванием, после десяти стирок отношение сигнал/шум уменьшалось в несколько раз — для разных испытуемых это изменение было разным. Часть трубок во время стирки вымывалась и контакт электрода с кожей ухудшался. У электродов из нитей, которые были получены скручиванием волокон, такой проблемы не было и соотношение сигнал/шум после десяти стирок в пределах погрешности не менялось.

Кроме записи ЭКГ умная футболка умеет измерять скорость сердцебиения и записывать электромиограммы. Авторы полагают, что в будущем нити из углеродных нанотрубок можно будет использовать и для других компонентов умной одежды — например, антенн и светоизлучающих диодов.

Еще одна проблема умной одежды — трудность подзарядки. Заряжать умные куртки и штаны от сети не всегда удобно, а встроенные аккумуляторы заметно увеличивают их вес. Весной американские материаловеды разработали умную куртку, которая может сама подзаряжаться от человеческих движений. Трибоэлектрические генераторы на рукавах куртки вырабатывают электричество во время ходьбы, а расположенный на груди биотопливный элемент — даже после того, как человек остановился.

Наталия Самойлова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.