اینترنت اشیای پزشکی در خدمت مراقبت‌های بهداشتی هوشمند
(بخش دوم)
در مطلب پیشین، به اصطلاحات و مفاهیم IOT و IOMT و اهمیت و کاربردهای مختلف آن‌ها در صنعت تجهیزات پزشکی و سلامت پرداختیم. در این شماره، کاربردهای مختلف IOMT را بررسی می‌کنیم و به حسگرهای پوست الکترونیکی (E-Skin)، نگاهی عمیق‌تر می‌اندازیم.
پوست الکترونیکی (E-Skin) ویژگی‌های پوست انسان را تقلید و قابلیت‌هایی مانند حس لامسه، فشار، دما و حتی درد را فراهم می‌کند. پوست الکترونیکی در زمینه‌های رباتیک، پروتزها و فناوری‌های پوشیدنی، نوآوری مهمی است. درواقع، E-Skin و اینترنت اشیای پزشکی (IoMT) دو فناوری پیشرفته‌اند که به‌طور فزاینده‌ای درحال تلاقی هستند؛ بهویژه در زمینة مراقبت‌های بهداشتی. رابطة آن‌ها در این است که E-Skin در اکوسیستم IoMT، به‌عنوان رابط پیشرفته عمل کند و سبب کمک‌رسانی به تکامل پزشکی شخصی‌سازی‌شده، نظارت بر سلامت در زمان واقعی و بهبود مراقبت از بیمار شود. نحوة عملکرد آن‌ها بدین صورت است:
۱. ساختار و مواد
• زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر: حسگرهای E-skin روی زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر و کششی ساخته می‌شوند که اغلب از موادی مانند سیلیکون، پلی‌یورتان یا الاستومرهای دیگر تشکیل شده‌اند. این زیرلایه‌ها به حسگرها اجازه می‌دهند تا به پوست متصل شوند و در هنگام حرکت، تماس خود را حفظ کنند.
• مواد رسانا: عناصر حسگر درونE-skin ، معمولاً از مواد رسانا مانند گرافن، نانو‌سیم‌های نقره، یا نانولوله‌های کربنی ساخته می‌شوند. این مواد به‌دلیل رسانایی الکتریکی عالی و انعطاف‌پذیری مکانیکی انتخاب می‌شوند.
۲. مکانیسم‌های حسگر
• تشخیص فشار و کشش: حسگرهای E-skin می‌توانند فشار و کشش را با اندازه‌گیری تغییرات مقاومت یا ظرفیت الکتریکی تشخیص دهند. هنگامی که فشار اعمال می‌شود، فاصلة بین لایه‌های رسانا یا ذرات تغییر می‌کند و خواص الکتریکی (مانند مقاومت یا ظرفیت) را تغییر می‌دهد. این تغییر سپس به سیگنال الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود که با میزان فشار یا کشش اعمال‌شده مطابقت دارد.
• تشخیص دما: برخی از حسگرهای E-skin موادی را شامل می‌شوند که خواص الکتریکی آن‌ها با تغییر دما تغییر می‌کند. برای مثال، برخی پلیمرها یا مواد مرکب، با تغییرات دما منبسط یا منقبض می‌شوند و تغییرات قابل اندازه‌گیری در مقاومت یا ظرفیت ایجاد می‌کنند.
• تشخیص شیمیایی: حسگرهای E-skin می‌توانند تغییرات شیمیایی مانند سطوح pH یا حضور نشانگرهای زیستی خاص در عرق را نیز تشخیص دهند. این حسگرها از مواد حساس به مواد شیمیایی استفاده می‌کنند که به مادة هدف واکنش نشان می‌دهند و به تغییر قابل اندازه‌گیری در سیگنال الکتریکی منجر می‌شوند.
3. پردازش سیگنال
• مدارهای یکپارچه یا میکروکنترلرهای تعبیه شده در E-skin، سیگنال‌های خام تولیدشده را پردازش می‌کنند. این الکترونیک‌ها سیگنال‌های آنالوگ را به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌کنند که می‌توانند در زمان واقعی، تجزیه‌وتحلیل شوند.
• داده‌های پردازش‌شده می‌توانند به‌صورت بی‌سیم، برای تجزیه‌وتحلیل و نمایش بیشتر، به دستگاهی مانند تلفن هوشمند یا کامپیوتر، منتقل شوند.
4. کاربردها
• نظارت بر سلامت: حسگرهای E-skin می‌توانند بر علائم حیاتی مانند ضربان قلب، فشار خون و تنفس نظارت کنند. آن‌ها می‌توانند حرکات عضلانی را تشخیص دهند. همچنین در پروتزها برای ارائة بازخورد حسی مفیدند.
• رباتیک: در رباتیک، E-skin به ربات‌ها حس لامسه می‌دهد و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا با انسان‌ها و محیط خود به‌طور ایمن‌تر و مؤثرتری تعامل کنند.
• فناوری پوشیدنی: حسگرهای E-skin در دستگاه‌های پوشیدنی برای نظارت بر فعالیت‌های فیزیکی، تشخیص حرکات و ارائة بازخورد دربارة وضعیت بدن استفاده می‌شوند.
5. مزایا
• انعطاف‌پذیری و کشش‌پذیری: حسگرهای E-skin بسیار انعطاف‌پذیرند و می‌توانند بدون ازدست‌دادن عملکرد، کشیده شوند. این ویژگی آن‌ها را برای استفادة مداوم روی بدن انسان ایدئال می‌کند.
• حساسیت زیاد: به‌دلیل استفاده از مواد پیشرفته، حسگرهای E-skin می‌توانند تغییرات بسیار ظریفی را در فشار، دما یا ترکیب شیمیایی تشخیص دهند و نظارت دقیق را امکان‌پذیر می‌کنند.
• نظارت لحظه‌ای: این حسگرها می‌توانند داده‌های پیوسته و لحظه‌ای را ارائه دهند که برای کاربردهای مراقبت‌های بهداشتی و رباتیک بسیار ارزشمند است.
به‌طور خلاصه، حسگرهای E-skin با تشخیص تغییرات در خواص فیزیکی یا شیمیایی (مانند فشار، کشش یا دما) و تبدیل این تغییرات به سیگنال‌های الکتریکی کار می‌کنند.
این سیگنال‌ها پردازش و برای تحلیل ارسال می‌شوند و کاربردهای گسترده‌ای در نظارت بر سلامت، رباتیک و فناوری پوشیدنی دارند.
پوست الکترونیکی (E-skin) فناوری پیشرفته و چندلایه‌ای است که برای تقلید از ویژگی‌های پوست انسان، هم از نظر انعطاف‌پذیری و هم از نظر حساسیت، طراحی شده است.
ساختار پوست الکترونیکی معمولاً شامل چندین لایه و اجزاست که با هم کار می‌کنند تا محرک‌های مختلف را تشخیص دهند. در ادامه، توضیح مفصلی از ساختار آن ارائه شده است:
1. لایة زیرلایه
• مواد: پایة پوست الکترونیکی زیرلایه‌ای انعطاف‌پذیر و کششی است که معمولاً از الاستومرهایی مانند پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان ، پلی‌یورتان یا سیلیکون ساخته شده است. این مواد به‌دلیل سازگاری زیستی، انعطاف‌پذیری و توانایی تحمل خم‌شدن و کشیده‌شدن مکرر، انتخاب می‌شوند.
• عملکرد: برای لایه‌های دیگر، زیرلایة پشتیبانی مکانیکی فراهم می‌کند و به پوست الکترونیکی اجازه می‌دهد تا به سطوح پیچیده مانند بدن انسان یا اندام‌های رباتیک، متصل شود.
2. لایه‌های رسانا و حسگر
• مواد رسانا: این لایه‌ها معمولاً شامل مواد رسانا هستند. مانند:
o گرافن: به‌دلیل رسانایی زیاد، انعطاف‌پذیری و شفافیت، گرافن اغلب در پوست الکترونیکی برای تشخیص کشش، فشار و محرک‌های دیگر استفاده می‌شود.
o نانو‌سیم‌های نقره: به‌دلیل رسانایی الکتریکی عالی و انعطاف‌پذیری مکانیکی ایدئال هستند.
o MXenes: دسته‌ای از مواد دو‌بعدی با رسانایی الکتریکی زیاد که در پوست الکترونیکی پیشرفته، برای افزایش حساسیت استفاده می‌شود.
o نانولوله‌های کربنی : این مواد به‌دلیل خواص الکتریکی و مکانیکی استثنایی خود، به دوام و پاسخ‌گویی پوست الکترونیکی کمک می‌کنند.
• مکانیسم‌های حسگر: این لایه‌ها ورودی‌هایی مانند فشار، دما، رطوبت و کشش را تشخیص می‌دهند. برای مثال:
o حسگر خازنی : شامل دو لایة رساناست که با یک لایة عایق جدا شده‌اند. تغییرات فشار در خازن تغییر ایجاد می‌کند که برای تعیین میزان ورودی اندازه‌گیری می‌شود.
o حسگر پیزورزیستیو : از موادی استفاده می‌کند که در هنگام تغییر شکل، مقاومتشان تغییر می‌کند. فشار اعمال‌شده، مقاومت را تغییر می‌دهد و به تشخیص نیرو کمک می‌کند.
o حسگر حرارتی : شامل موادی است که خواص الکتریکی آن‌ها با تغییرات دما تغییر می‌کنند و امکان نظارت بر دما را فراهم می‌کند.
3. لایة عایق
4. اتصالات و سیم‌کشی
5. پردازش سیگنال و مدیریت توان
• مدارهای مجتمع : مدارهای مجتمع کوچک و انعطاف‌پذیر اغلب درون پوست الکترونیکی تعبیه می‌شوند تا سیگنال‌های حسگرها را پردازش کنند. این مدارها شامل تقویت‌کننده‌ها، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و میکروکنترلرها می‌شوند.
• منبع توان: برخی سیستم‌های پوست الکترونیکی از باتری‌های انعطاف‌پذیر یا واحدهای برداشت انرژی استفاده می‌کنند که حرکت مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
• ماژول‌های ارتباط بی‌سیم: این ماژول‌ها امکان انتقال داده‌ها به دستگاه‌های خارجی، مانند تلفن‌های هوشمند یا کامپیوترها را فراهم می‌کنند.
6. لایه‌های محافظ و محفظه‌سازی
7. لایة چسبنده
8. لایه‌های عملکردی اختیاری
• لایه بازخورد لمسی : در برخی از سیستم‌های پیشرفتة پوست الکترونیکی، ممکن است لایه‌ای که بازخورد لمسی ارائه می‌دهد، تعبیه شود، که به کاربر اجازه می‌دهد تا احساساتی را در پاسخ به محرک‌ها یا سیگنال‌های کنترلی تجربه کند.
• لایه کنترل دما : این لایه شامل موادی یا دستگاه‌هایی است که می‌توانند به‌طور فعال، دما را مدیریت کنند و در صورت نیاز، عملکرد گرمایشی یا سرمایشی ارائه دهند.
یکپارچه‌سازی و کارایی
• حسگرهای چند‌کاره: پوست الکترونیکی می‌تواند حسگرهای مختلفی را در یک سیستم یکپارچه کند و امکان تشخیص هم‌زمان چندین محرک مانند لمس، فشار، دما و رطوبت را فراهم آورد.
• مقیاس‌پذیری: ساختار پوست الکترونیکی به‌گونه‌ای طراحی شده است که مقیاس‌پذیر باشد، به این معنی که می‌تواند سطوح بزرگ یا کوچک را بسته به کاربرد، پوشش دهد.
پوست الکترونیکی ساختاری بسیار پیچیده و چندلایه است که ترکیبی از مواد پیشرفته و طراحی پیچیده را برای ارائة پلتفرمی انعطاف‌پذیر، حساس و بادوام برای نظارت و تعامل با محیط یا بدن انسان فراهم می‌کند. پوست الکترونیکی فناوری پیشرفته‌ای است که به‌طور فزاینده‌ای، در رباتیک برای افزایش قابلیت‌های لمسی و حسی ربات‌ها، به کار گرفته می‌شود. با تقلید از ویژگی‌های پوست انسان، پوست الکترونیکی به ربات‌ها اجازه می‌دهد تا به‌طور طبیعی‌تر و ایمن‌تر با محیط و انسان‌ها تعامل داشته باشند.
استفاده از پوست الکترونیکی در رباتیک
1. افزایش حس لمسی
• حسگر فشار: پوست الکترونیکی مجهز به حسگرهای فشار، به ربات‌ها اجازه می‌دهد تا نیروی تماس را تشخیص دهند و اندازه‌گیری کنند. این قابلیت برای انجام کارهایی که به دستکاری دقیق نیاز دارند، مانند برداشتن اشیای شکننده یا انجام جراحی، بسیار مهم است.
• تشخیص بافت: با استفاده از مواد پیشرفته مانند گرافن و MXenes، پوست الکترونیکی می‌تواند به ربات‌ها کمک کند تا بین بافت‌های مختلف تفاوت قائل شوند و اشیا را با دقت بیشتری شناسایی و دستکاری کنند.
2. بهبود ایمنی در تعامل انسان و ربات
• تشخیص برخورد: پوست الکترونیکی می‌تواند تماس ناخواسته با انسان‌ها یا اشیا را تشخیص و به ربات اجازه دهد تا سریعاً واکنش نشان دهند و از بروز آسیب جلوگیری کنند. این ویژگی بهویژه در ربات‌های همکار ، که در محیط‌های صنعتی یا پزشکی در کنار انسان‌ها کار می‌کنند، اهمیت دارد.
• واکنش‌های تطبیقی: پوست الکترونیکی می‌تواند تغییرات محیطی مانند دما یا فشار را حس کند و به ربات اجازه دهد تا رفتار خود را در زمان واقعی تنظیم کند.
3. حسگرهای دما و رطوبت
• تنظیم حرارتی: پوست الکترونیکی می‌تواند دمای اشیا یا محیط را پایش کند و به ربات‌ها اجازه دهد تا موادی را که به حرارت یا سرما حساس‌اند، دستکاری کنند. این قابلیت در کارهایی مانند فراوری مواد غذایی یا آزمایش‌های علمی مواد، ارزشمند است.
• تشخیص تعریق: در رباتیک پزشکی، پوست الکترونیکی می‌تواند سطح رطوبت مانند عرق روی پوست بیمار را تشخیص دهد و برای انجام پروسه‌های پزشکی یا پایش سلامت بیمار، بازخورد حیاتی فراهم کند.
4. اندام‌های پروتزی پیشرفته
• پروتزهای شبیه‌سازی‌شده: پوست الکترونیکی در پروتزهای رباتیک استفاده می‌شود تا به افراد قطع عضو احساس لمس را بازگرداند. اندام مصنوعی می‌تواند اطلاعات حسی مانند فشار، بافت و دما را به کاربر منتقل کند و عملکرد کلی و تجربة کاربری را بهبود بخشد.
• تشخیص حرکت: برای اندام‌های رباتیک، پوست الکترونیکی می‌تواند حرکات جزئی و تغییرات فشار را تشخیص دهد و به کنترل دقیق‌تر و حرکت طبیعی‌تر کمک کند.
5. کاربردها در رباتیک نرم
• ربات‌های انعطاف‌پذیر و کشسان: انعطاف‌پذیری پوست الکترونیکی آن را برای استفاده در رباتیک نرم، که در آن ربات‌ها برای انعطاف‌پذیری و تطبیق‌پذیری بیشتر طراحی شده‌اند، ایدئال می‌کند. این ویژگی بهویژه در دستگاه‌های پزشکی که به حرکت در داخل بدن انسان نیاز دارند، یا در ربات‌های جست‌وجو و نجات، که باید از فضاهای تنگ عبور کنند، ارزشمند است.
• حسگری چند‌وجهی: در ربات‌های نرم، پوست الکترونیکی می‌تواند چندین نوع حسگر (مثلاً فشار، دما و کشش) را در یک لایه یکپارچه کند و به ربات اجازه دهد از محیط خود، داده‌های جامع جمع‌آوری کند.
6. بازخورد لمسی در رباتیک
• واقعیت مجازی و کنترل از راه دور: پوست الکترونیکی می‌تواند به اپراتورهایی که ربات‌ها را از راه دور کنترل می‌کنند، بازخورد لمسی ارائه دهد و دقت و کارایی کارهایی را که در محیط‌های خطرناک یا دور از دسترس انجام می‌شود، افزایش دهد.
7. ربات‌های پوشیدنی و اسکلت‌های خارجی
• بازخورد حسی پیشرفته: در اسکلت‌های خارجی و ربات‌های پوشیدنی، پوست الکترونیکی می‌تواند از حرکات کاربر و نیروهای اعمال‌شده، بازخورد آنی فراهم کند، کنترل را بهبود بخشد و خطر آسیب را کاهش دهد.
• راحتی کاربر: پوست الکترونیکی می‌تواند به نظارت و تنظیم مناسب‌بودن و راحتی ربات‌های پوشیدنی کمک کند و اطمینان حاصل کند که با گذشت زمان، با بدن کاربر تطبیق می‌یابند.
نتیجه‌گیری
پوست الکترونیکی درحال انقلاب در رباتیک است و ربات‌ها را حساس‌تر، سازگارتر و قادر به انجام وظایف پیچیده با دقت و ایمنی بیشتر می‌کند. این فناوری درحال گسترش مرزهای توانایی ربات‌هاست، بهویژه در حوزه‌هایی که تعامل دقیق و حساس با محیط یا انسان ضروری است.
References
1. P. Manickam, S. Ananth, “Artificial Intelligence (AI) and Internet of Medical Things (IoMT) Assisted Biomedical Systems for Intelligent Healthcare”, Biosensors 2022, 12, 562.
تهیه‌وتنظیم: دکتر ندا کفاش
