Nuevo sensor permite ‘pañales inteligentes’, gama de otros monitores de salud

¡Waaaahhh! Si bien los bebés tienen un mecanismo natural para alertar a sus padres de que necesitan un cambio de pañal, un nuevo sensor desarrollado por investigadores de Penn State podría ayudar a los trabajadores de guarderías, hospitales y otros entornos a brindar una atención más inmediata a sus niños.

El nuevo sensor, tan barato y simple de producir que se puede dibujar a mano con un lápiz sobre papel tratado con cloruro de sodio, podría despejar el camino para monitores de salud portátiles y autoamplificados para usar no solo en «pañales inteligentes» sino también para predecir los principales problemas de salud como el paro cardíaco y la neumonía.

«Nuestro equipo se ha centrado en desarrollar dispositivos que puedan capturar información vital para la salud humana», dijo Huanyu «Larry» Cheng, profesor asociado de mecánica y ciencias de la ingeniería en el James L. Henderson, Jr. Memorial en Penn State. «El objetivo es la predicción temprana de enfermedades y situaciones de salud, para detectar problemas antes de que sea demasiado tarde».

Cheng es el autor principal de un nuevo estudio, publicado en la revista Nano letras, que describe el proceso de diseño y fabricación de un sensor de electrodo dibujado a mano confiable. El sensor se crea usando un lápiz, dibujado en papel tratado con una solución de cloruro de sodio. El sensor de hidratación es muy sensible a los cambios de humedad y proporciona lecturas precisas en una amplia gama de niveles de humedad relativa, del 5,6 % al 90 %.

La investigación sobre sensores portátiles ha cobrado impulso debido a su amplia gama de aplicaciones en salud médica, alerta de desastres y defensa militar, explicó Cheng. Los sensores de humedad flexibles se han vuelto cada vez más necesarios en el cuidado de la salud, para usos como el monitoreo respiratorio y la detección de la humedad de la piel, pero aún es un desafío lograr una alta sensibilidad y una fácil eliminación con procesos de fabricación simples y de bajo costo, agregó.

«Queríamos desarrollar algo de bajo costo que la gente supiera cómo hacer y usar, y no hay nada más accesible que lápiz y papel», dijo Li Yang, profesor de la Escuela de Inteligencia Artificial de la Universidad Tecnológica de Hebei en China. . «No necesita tener algún equipo multimillonario para la fabricación. Solo necesita poder dibujar dentro de las líneas de un electrodo predibujado en una hoja de papel tratada. Se puede hacer de manera simple y rápidamente.»

El dispositivo aprovecha la forma en que el papel reacciona naturalmente a los cambios de humedad y utiliza el grafito del lápiz para interactuar con las moléculas de agua y la solución de cloruro de sodio. A medida que el papel absorbe las moléculas de agua, la solución se ioniza y los electrones comienzan a fluir hacia el grafito en el lápiz, activando el sensor, que detecta esos cambios en la humedad en el ambiente y envía una señal a un teléfono inteligente, que muestra y registra los datos.

Esencialmente, dibujar en el papel pretratado dentro de las líneas pretratadas crea una placa de circuito de papel miniaturizado. El papel se puede conectar a una computadora con cables de cobre y pasta de plata conductora para que actúe como detector de humedad ambiental. Para aplicaciones inalámbricas, como «pañales inteligentes» y monitoreo de respiración basado en máscaras, el dibujo está conectado a una pequeña batería de litio que alimenta la transmisión de datos a un teléfono inteligente a través de Bluetooth.

Para el monitor de respiración, el equipo dibujó el electrodo directamente en una máscara facial tratada con una solución. El sensor diferenció fácilmente la respiración por la boca de la respiración por la nariz y pudo clasificar tres estados de respiración: profunda, regular y rápida. Cheng explicó que los datos recopilados podrían usarse para detectar la aparición de diversas enfermedades, como paro respiratorio y dificultad para respirar, y brindar oportunidades en la Internet inteligente de las cosas y la telemedicina.

Agregó que la frecuencia respiratoria es un signo vital fundamental y La investigación ha mostrado es un indicador temprano de una variedad de condiciones patológicas tales como eventos cardíacos, neumonía y deterioro clínico. También puede indicar factores estresantes emocionales como carga cognitiva, calor, frío, esfuerzo físico y fatiga inducida por el ejercicio.

En comparación con la respiración, la piel humana exhibe un cambio menor en la humedad, pero los investigadores aún pudieron detectar cambios usando su sensor de humedad de lápiz sobre papel, incluso después de que los sujetos de prueba aplicaran loción o hicieran ejercicio. La piel es el órgano más grande del cuerpo, explicó Cheng, por lo que si no está procesando la humedad correctamente, eso podría indicar que está ocurriendo algún otro problema de salud.

«Diferentes tipos de condiciones de enfermedad dan como resultado diferentes tasas de pérdida de agua en nuestra piel», dijo. «La piel funcionará de manera diferente según las condiciones subyacentes, que podremos marcar y posiblemente caracterizar usando el sensor».

El equipo también integró cuatro sensores de humedad entre las capas absorbentes de un pañal para crear un «pañal inteligente», capaz de detectar la humedad y alertar de un cambio.

«Esa aplicación en realidad nació de una experiencia personal», dijo Cheng, quien es padre de dos niños pequeños. «No hay una manera fácil de saber qué tan mojado está mojado, y esa información podría ser muy valiosa para los padres. El sensor puede proporcionar datos a corto plazo, para alertar sobre cambios de pañales, pero también a largo plazo, para mostrar patrones. que pueda informar a los padres sobre la salud general de su hijo».

Las aplicaciones del sensor de humedad van más allá de los «pañales inteligentes» y el control de la respiración y la transpiración, explicó Cheng. El equipo también implementó el sensor como un interruptor sin contacto, que podía detectar los cambios de humedad en el aire por la presencia de un dedo sin que el dedo tocara el sensor. El equipo usó el interruptor sin contacto para operar un ascensor a pequeña escala, tocar un teclado e iluminar una matriz de LED.

«Los átomos en el dedo no necesitan tocar el botón, solo necesitan estar cerca de la superficie para difundir las moléculas de agua y activar la señal», dijo Cheng. «Cuando pensamos en lo que aprendimos de la pandemia sobre la necesidad de limitar el contacto del cuerpo con las superficies compartidas, un sensor como este podría ser una herramienta importante para detener la posible contaminación».