Японские исследователи разработали носимый датчик в формате наручных часов, который отслеживает изменения содержания натрия и калия в поте. Во время испытаний на действующей строительной площадке устройство непрерывно собирало данные в течение 2 часов 45 минут. Результаты показали, что система способна работать не только в лаборатории, но и в условиях обычной физической активности.
Разработка специалистов Токийского университета науки (Tokyo University of Science) может стать основой для недорогих носимых устройств, помогающих контролировать физиологическое состояние работников, спортсменов и людей, занимающихся физическими упражнениями в жаркую погоду. Однако до полноценного применения в медицинских целях технологии предстоит пройти дополнительные испытания.
Как работает датчик для анализа пота?
В основе устройства лежит система печатных электродов, которые реагируют на присутствие определённых ионов в поте. Исследователи сосредоточились на двух важных электролитах — натрии и калии.
Эти минералы участвуют в поддержании водно-солевого баланса, передаче нервных импульсов и работе мышц. Их содержание в поте может меняться в зависимости от физической нагрузки и других условий, поэтому отслеживание соответствующих показателей представляет интерес для разработки носимых систем мониторинга здоровья.
Датчик регистрирует изменения электрического напряжения, связанные с присутствием ионов натрия и калия. Чтобы правильно интерпретировать эти изменения, системе необходим электрод сравнения — элемент, который обеспечивает стабильную точку отсчёта для измерений.
Именно здесь и возникает одна из главных технических проблем. Обычным печатным электродам сравнения может потребоваться продолжительное время, чтобы выйти на стабильный режим работы. Для носимого устройства, которое должно собирать данные непосредственно во время физической активности, такая задержка становится серьёзным ограничением.
Зачем устройству силикагель?
Чтобы ускорить начало измерений, исследователи использовали печатный электрод сравнения с жидкостным переходом, содержащий силикагель.
Этот материал способствует проникновению воды в слой электролита, благодаря чему электрод быстрее достигает стабильного электрического потенциала. В результате системе требуется меньше времени на подготовку к работе.
Помимо электрода сравнения, устройство оснащено отдельными электродами, чувствительными к ионам натрия и калия. Такая конструкция позволяет одновременно отслеживать сигналы, связанные с обоими электролитами.
Не менее важна система сбора образцов. Над электродами расположен слой ткани и сверхвпитывающего волокнистого материала. Он собирает пот, поддерживает влажность чувствительной области и помогает жидкости поступать к измерительным элементам.
Все компоненты подключены к специальному электронному модулю, выполненному в формате наручных часов. Он обрабатывает полученные сигналы, передаёт данные на компьютер по беспроводной связи и сохраняет результаты на карте памяти microSD.
Таким образом, основное достижение разработчиков заключается не столько в создании нового чувствительного материала, сколько в объединении нескольких компонентов в единую систему, пригодную для использования вне лаборатории.
Испытание в реальных условиях
Чтобы проверить работоспособность устройства, исследователи провели полевые испытания на действующей строительной площадке. Один рабочий носил датчик примерно 165 минут, выполняя обычные задачи, перемещаясь по территории, отдыхая, принимая пищу и выпивая воду.
На протяжении испытания устройство непрерывно регистрировало сигналы, связанные с присутствием натрия и калия в поте. Данные передавались на расположенный поблизости компьютер и одновременно сохранялись в памяти устройства.
По словам Исао Ситанды (Isao Shitanda), доцента Токийского университета науки и руководителя исследования, ключевым результатом стала демонстрация работоспособности всей системы в реальной среде. Учёным удалось объединить печатные электроды, механизм сбора и транспортировки пота, а также беспроводную измерительную электронику в компактном носимом устройстве.
При этом исследователи подчёркивают, что успешная регистрация сигналов ещё не означает, что часы уже способны с высокой точностью определять концентрацию электролитов.
Испытание охватывало только одного участника, а полученные сигналы пока не были подтверждены как точные количественные измерения содержания натрия и калия в поте. Для этого потребуются дополнительные эксперименты, в том числе в контролируемых условиях потоотделения.
Где пригодятся такие часы?
Одно из перспективных направлений применения технологии — контроль состояния людей, работающих в условиях высокой температуры и интенсивной физической нагрузки.
Например, на строительных площадках и промышленных предприятиях носимые датчики могли бы в перспективе дополнять системы наблюдения за состоянием работников. Аналогичные устройства могут заинтересовать спортсменов и людей, тренирующихся на открытом воздухе в жаркую погоду.
Непрерывный сбор данных о составе пота потенциально позволит лучше понимать, как организм реагирует на физическую нагрузку и изменение условий окружающей среды. Однако для надёжной оценки обезвоживания или других показателей здоровья одного лишь наблюдения за сигналами натрия и калия недостаточно: потребуются проверенные методы интерпретации данных и дополнительные клинические исследования.
Есть у разработки и производственное преимущество. Печатные электроды потенциально позволяют выпускать сенсорные компоненты с относительно небольшими затратами, что в будущем может сделать подобные устройства доступнее.
Исследование опубликовано в научном журнале ACS Omega.
Что дальше?
Японская разработка демонстрирует важный шаг в развитии носимой электроники: датчики химического состава пота постепенно выходят за пределы лабораторных экспериментов и начинают проходить испытания в повседневных условиях.
Пока речь идёт о раннем прототипе, а не о готовом медицинском приборе. Но если дальнейшие исследования подтвердят точность измерений, подобные часы смогут стать дополнительным инструментом для мониторинга физиологических показателей во время работы и занятий спортом.
Главная задача на следующем этапе — научиться не только стабильно регистрировать электрические сигналы, но и надёжно преобразовывать их в точные значения концентрации электролитов. Именно от этого будет зависеть, насколько полезной окажется технология на практике.
