Elektronska „tetovaža“ koja prati vitalne funkcije vašeg organizma

Današnji tekst je posvećen tetovaži. Vrlo specijalnoj tetovaži.

Istraživači "pametne kože" su napravili uređaj sa fizičkim osobinama prave kože. Taj "epidremalni" elektronski sistem bez problema se aplicira na kožu i to na način koji je nevidljiv za korisnika. (Izvor: John A. Rogers)

Jednog od ovih dana, ali malo u budućnost, neke stvari u bolničkoj praksi će se vidno izmeniti. Dobro, pacijenti će i dalje imati potrebu za krevetima i sobe će biti opremljene uređajima za praćenje stanja bolesnika, ali više neće biti potrebe za iglama (sem u slučaju injekcija), žicama i bockanjima po telu pacijenta. Doktori će pratiti sve vitalne funkcije, svog pacijenta, zahvaljujući električnim zakrpama ili još bolje, električnim tetovažama. Sem toga, korisnici usluga bolnice će biti u stanju da komuniciraju sa medicinskim robotima (oni su bez tetovaže), gde će elektronske zakrpe na vratu prevoditi pokrete mišića vrata u govor.

Ova novina iz sveta medicinske elektronike, sa razlogom nazvana elektronska zakrpa, zaista nije invazivnija od obične privremene tetovaže, i predstavlja veliki tehnološki napredak koja se bavi razvojem interfejsa koji će omogućiti dobru komunikaciju između čoveka i mašine. Mala  poluprovodnička elektronska kola koja se rastežu zajedno sa kožom na koju su prislonjeni se utrlja u kožu korisnika da bi pratila aktivnost mišića, srca i, čak, moždanih talasa. Praćenje bi se obavljalo u realnom vremenu (neprekidno), bez potrebe za kabastom medicinskom opremom.

Da bi aplikacija bila moguća, mini uređaj se, na početku, postavlja na vrlo fini sloj razgradive plastike. Jednom postavljen uz kožu, plastičan sloj se tanji i lagano razlaže (primenom vode), kao kod apliciranja privremene tetovaže. Kada se ovo završi, zakrpa može da isprati bilo koje kretanje kože, a da to ne remeti njen rad: skupljanje, rastezanje i uvijanje. Neće se desiti da se odvoji sama od sebe, što se smatra značajnom uspehom. Kada usluge elektronske tetovaže više nisu potrebe, skida se lako kao sloj izgorele kože na suncu (samo bez pratećeg bola).

Uređaj se „drži“ za kožu bez upotrebe lepka ili statičkog elektriciteta, samo na osnovu sile, na nivou atoma, koja se zove Van der Wals-ova interakcija (Van der Walls), koja je nevidljiva za korisnika. Istraživači tvrde da zakrpa na ovaj način može stajati na pacijentu do 24 časa. Nije mnogo, a ni malo.

Autori ovog uređaja su istraživači sa univerziteta u Ilinojisu (Illinois, USA), i električna kola u njemu sadrže različite vrste komponenti: senzori, LED, tranzistori, kapacitatori radio frekvencija i bežične antene, prema tvrdnjama koje dolaze sa pomenutog univerziteta. Neophodna energija za ove pod sisteme se dobija iz indukcije ili iz mini solarnih ćelija.

Primena elektronske tetovaže je višestruka, specijalno pogodna za praćenje rada mišića i srca, koji po sadašnjoj tehnologiji iziskuju provodne želatine, traku i žice. Da bi to dokazali, izmerili su električnu aktivnost srca, mozga i mišića, i izmereno stavili u rad koji je izašao u žurnalu Science, tokom avgusta meseca ove godine.

Proučavanje funkcija mozga u normalnom okruženju je nemoguće, prema sadašnjim mogućnostima – da bi ste koristili EKG, pacijent je primoran da sedi u laboratoriji i da nosi neku vrstu kompleksne kacige na glavi. Sa zakrpom nema potrebe, više, za takvim okruženjem. Sa druge strane, zamislite pacijenta sa degenerativnom bolešću koji ne može da priča, ali zahvaljujući zakrpi može da se poveže na kompjuter i tako, posredno, stupi u kontakt sa okolinom.

Lako se skida - kao suncem izgorela koža

Tokom izvođenja eksperimenta nad vratom pacijenta, tetovaža je bila dovoljno precizna da omogući istraživačima da razumeju nekoliko izgovorenih reči, što je dokumentovano od strane Nacionalne naučne fondacije. Bili su u stanju, da igraju video igru, gde se kontrola sprovodila glasom i to sa preciznošću od 90%.

„Ova tehnologija vas može povezati sa realnim i kibernetičkim (virtuelnim) svetom na vrlo prirodan način.“, tvrdi električni i kompjuterski inženjer Tod Koleman (Todd Coleman), koje je jedan od vođa projekta.

Primenjena kola u zakrpi su ostvarena zahvaljujući novoj metodi proizvodnje, koja omogućava pravljenje savitljivih poluprovodnika koji su krhki kada su u krupnijoj formi. Istraživački tim, koji uključuje i inženjerske istraživače sa univerziteta Northwestern, je razvio geometriju uređaja koju su nazvali filamentary serpentine“. Kola različitih uređaja su projektovana i napravljena kao tanke, izuvijane žice, što se vidna na fotografi sa početka teksta. Ovakav oblik im omogućava da se savijaju, okreću, rastežu i skupljaju, a pri tome zadržavajući svu svoju funkcionalnost.

„Spajanje i preplitanje elektronike i biologije je ovde ključ uspeha.“, kaže Jonggang Huang (Yonggang Huang), inženjer sa univerziteta Northwestern, „Po svom ustrojstvu elektronika je čvrsta, kruta. Biologija je po svom ustrojstvu, elastična i meka. To su dva različita sveta. Ovo je način da ih uspešno spojimo, integrišemo.“

Vrlo lepo, čovek bi rekao. Međutim, savetujem i obazrivost.

Zašto?

Primene tehnologije, koja je ovoliko drugačija, se tek trebaju sagledati i medicinski pokrov ove priče deluje vrlo humano. Međutim, dovoljno se setiti da su preparati, koje koriste sportisti za poboljšavanje svojih performansi, u stvari bili smišljeni da se omogući pacijentima sa dugim bolestima da se brže oporave. U nekom trenutku se našao neko „pametan“ da upotrebi te supstance na zdravim ljudima, i tako je nastala kratka i burna istorija sportskog dopinga…

Mala vibracija za bolji osećaj

Za sledeću priču važi poznata izreka:

„Sitnica koja život znači.“

Istraživači sa tehnološkog instituta u Džordžiji (Georgia) su razvili rukavicu sa dodatkom koji omogućava da njen nosilac ima poboljšan osećaj dodira. Prema njihovom istraživanju i radu, primenom male vibracije na samom vrhu prsta ruke, poboljšavaju se osetljivost dodira i motoričke sposobnosti.

Jedno od prethodnih istraživanja je pokazalo da dodavanje belog šuma – koncept koji se zove stokastička rezonanca – može poboljšati vid, sluh, kontrolu ravnoteže i dodir. Međutim, i ako uspešno definisan i proveren, do sada, nije primenjen na bilo koji uređaj, tačnije, ovo poboljšanje nije iskorišćeno u praktične svrhe. Istraživači iz pomenute laboratorije veruju da prvi prototip koji koristi koncept stokastičke rezonance, zakačen na vrh prsta, poboljšava osećaj dodira.

Šinohara i Ueda sa svojim uređajem prilikom testa na jedinstven dodir. Izvor: http://gtresearchnews.gatech.edu/

„Ovaj ili sličan uređaj može jednog dana biti iskorišćen da pomogne pojedincima čiji posao traži veliku preciznost u manuelnom radu ili onima sa medicinskim stanjem koje smanjuje njihovo čulo dodira.“, kaže Džim Ueda (Jim Ueda), profesor pri Džorž V. Vodruf (George W. Woodruff) školi mehaničkog inženjerstva pri laboratoriji u Džordžiji.

Ueda je radio sa Minoru Šinoharom (Minora Shinohara), takođe profesorom, pri školi primenjene fiziologije u sastavu iste laboratorije i sa Juiči Kuritom (Yuichi Kurita), gostujućim naučnikom, na projektovanju samog uređaja i testiranja njegovih mogućnosti, na malo grupi zdravih pojedinaca.

Specifikacije uređaja i rezultati testova su prikazani maja meseca 2011. godine na Internacionalnoj IEEE konferenciji robotike i automatike u Šangaju.

Uređaj koristi jedan pobuđivač napravljen od velikog broja slojeva olova, oksida cirkonijuma i titanijuma, sve sa ciljem da se generišu vibracije visoke frekvencije. Keramički slojevi su pijezoelektrci, što znači da oni proizvode električni napon kada se na njih primeni mehanička sila. Sam pobuđivač je postavljen sa strane vrha prsta, tako da donja strana šake bude slobodna i da nosilac uređaja (u ovom slučaju rukavice) može manipulisati objektima neometano.

Za ovo istraživanje, istraživači su odabrali 10 zdravih dobrovoljaca i od njih tražili da iskoriste uređaj tokom različitih testova: razlikovanje površina (tekstura) na dodir, test razlikovanja dodira dve tačke, dodir u jednoj tački i test hvatanja. Sve ukupno, rezultati eksperimenta su pokazali da su dobrovoljci pokazali, statistički gledano, bolju manipulaciju i reakciju tokom primene mehaničke vibracije.

Rukavica i plastična test tabla korišćena prilikom testiranja. Izvor: http://gtresearchnews.gatech.edu/

„Svi rezultati su pokazali da je neka mehanička vibracija bolja, nego da je uopšte nema, ali nivo vibracije koja donosi željeno poboljšanje varira od testa do testa.“ primećuje Ueda.

Prilikom svakog testa, uređaj je bio zakačen na ne dominanti kažiprst (kažiprst ruke kojom ne pišemo) pušteno je 6 slučajnih, različitih vibracija. Njihov opseg je varirao od 0 do 150% praga osetljivost dodira te osobe, vrednost koja je određena prethodnim testovima. Prag osetljivosti je vrednost amplitude vibracije koja je potrebna da pojedinac oseti vibraciju.

Prilikom testa, gde je ispitanik trebao da razlikuje dve tače dodira, dva vrlo tanka i oštra vrha su prislonjena na vrh njegovog prsta. On je, tom prilikom, trebao da prijavi koliko jasno razlikuje ta dva mesta dodira, ili da li oseća dva ili samo jedna dodir. Pokazalo se, za sve ispitanike, da su vibracije od 75 do 100% praga osetljivosti omogućavale da naprave razliku između dva dodira koji su bili bliži jedan drugom, nego kada nije bilo vibracije.

Prilikom testiranja na jedinstveni dodir, uz svaki prst je bio prislonjeno vlakno. Zadatak svakog dobrovoljca je bio da prijavi da li mogu primetiti vlakna različite debljine, samo na osnovu dodira. Pokazalo se da su mogli da osete tanja vlakna kada su bili pod uticajem vibracija koje su imale vrednost sve do njihovog praga osetljivosti.

U trećem eksperimentu, parčići papira za glačanje (šmirgl-papir) sa različitim nivoom hrapavosti su bili zalepljeni na jednu stranu plastične table. Istraživači su, zatim, po slučajnom izboru, uzeli neki od papirića i zalepili na drugu stranu – koju dobrovoljci nisu mogli da vide. Zadatak je bio da se prvo dodirne papir koji se nalazio sam sa jedne strane, da bi se na osnovu dodira otkrio isti taj papir u grupaciji sa druge strane table. Pri vibracijama od 50 do 100% praga osetljivosti, ispitanici su bili 15% precizniji u određivanju odgovarajućeg papira, nego kada nisu bili pod uticajem vibracija.

Prilikom testa hvatanja, svaki od dobrovoljaca je trebao da uhvati objekat i da ga drži 3 sekunde sa taman dovoljnom snagom da im ne ispadne. Statistički gledano, primećena su značajna poboljšanja u izvršavanju ovog zadatka, u slučajevima kada su vibracije imale vrednosti od 50, 100 i 125% praga osetljivosti.

Očigledno, sva 4 taktilna testa su potvrdila da primena određenog nivoa mehaničke vibracije poboljšava osetljivost dodira na vrhu prsta. S druge strane, kako vrednosti vibracija koje daju statističko poboljšanje variraju, istraživači trenutno sprovode eksperiment koji bi odredio optimalne amplitude i frekvencije vibracija i efekte dugoročnoj izloženosti samim vibracijama. Sem toga, sprovode rad na optimizaciji dizajna samog uređaja (rukavice) i testiraju efekte kada je pobuđivač prikačen na sam vrh prsta i na nokat.

„U budućnosti, ovo istraživanje može dovesti do razvoja novih ortopedskih pomagala koje će pomoći ljudima sa oštećenjima perifernog nervnog sistema i da im na taj način omogući da nastave svoje normalne aktivnosti“, tvrdi Ueda.

Ueda i prikaz opreme koja je koršćena prilikom sprovođenja testova. Izvor: http://gtresearchnews.gatech.edu/