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Jun 22, 2023

Ultra

In einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel wurde postuliert, dass es sich um ein Graphen-E-Tattoo handelt

In einem in Nature Communications veröffentlichten Artikel wurde postuliert, dass ein Graphen-E-Tattoo (GET) auf der Handfläche die ambulante elektrodermale Aktivität (EDA) überwachen könnte, die ein Indikator für psychischen Stress sein kann.

Forscher der University of Texas in Austin und der Texas A&M University wollten einen EDA-Sensor entwickeln, der nicht die gleichen Mängel aufweist wie vorhandene Sensoren, wie zum Beispiel hinderliche und stigmatisierende Designs, die nicht mit der realen Verwendung kompatibel sind. Die Forscher hatten zuvor ein submikrometerdünnes, nicht wahrnehmbares GET entwickelt, hatten jedoch Schwierigkeiten, das GET mit den starren Leiterplatten zu verbinden, die für die Verarbeitung und Übertragung der EDA-Daten erforderlich waren. In dieser Studie wurde eine neue Version des GET entwickelt und auf ihre Fähigkeit getestet, EDA-Daten unter realen Bedingungen zu melden.

Das GET besteht aus 2 heterogenen Serpentinenbändern, die teilweise mit Gold überzogen und frei von Klebstoff sind. Das GET wird von einem Armband begleitet, das die starre Leiterplatte und Elektroden beherbergt, die mit den beiden Serpentinenbändern verbunden sind und eine drahtlose EDA-Überwachung in Echtzeit ermöglichen.

In einem Proof-of-Concept-Experiment trugen 5 Teilnehmer das GET und einen gelbasierten Vergleichssensor, während sie sich ein 13-minütiges Video mit 5 Szenarien ansahen, die darauf ausgelegt waren, Erwartungen, unkontrollierte emotionale, kontrollierte emotionale und Gewöhnungsreaktionen hervorzurufen.

Während der Versuche zeigten die GET-gemessenen EDA-Antworten im Vergleich zum Gelsensor tendenziell weniger Schwankungen im Hautleitfähigkeitsniveau und eine ähnliche Hautleitfähigkeitsreaktionsausgabe. Es wurden jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen den Ausgängen beobachtet (alle P > 0,05), was darauf hindeutet, dass der GET-gemessene EDA-Ausgang im Vergleich zu einem vorhandenen gelbasierten Gerät robust war.

Um das GET in realen Bewegungs- und Nutzungsszenarien zu testen, versuchten die Forscher typische Handbewegungen wie Pressen, Beugen des Handgelenks, Ergreifen eines Mobiltelefons und Stochern. Bei Bewegungen zeichnete das GET kleine Bewegungsartefakte auf, die sich von den Hautleitfähigkeits-Reaktionssignalen unterschieden und leicht identifiziert und aus der Ausgabe entfernt werden konnten.

Um die Haltbarkeit des GET zu testen, wurden 300 Zyklen Metallreiben durchgeführt, um das Tippen auf einem Laptop zu simulieren, sowie 300 Zyklen Holzreiben, um die Arbeit am Schreibtisch, kurzzeitige Wassereinwirkung und Experimente mit Umgebungsfeuchtigkeit zu simulieren. Der GET-Sensor überlebte sowohl Reibung als auch Wasserstörungen mit vergleichbaren EDA-Ergebnissen vor und nach den Versuchsbedingungen.

Ein Teilnehmer nutzte den GET-Sensor über längere Zeiträume. In drei 15-stündigen ununterbrochenen EDA-Überwachungssitzungen, die körperliche Betätigung, Autofahren und Schlafen umfassten, musste das GET nicht ausgetauscht werden.

In Situationen, in denen der GET-Sensor die EDA-Ausgabe nicht mehr meldete, wurden keine mechanischen Fehler am GET-Gerät festgestellt. Stattdessen brach die Gold-auf-Polyimid-Schicht in dem Bereich, in dem die Goldkomponente der maximalen Spannung ausgesetzt war.

Es wurden keine schädlichen Auswirkungen auf die Haut festgestellt.

Dieser GET-Sensor ist die erste dehnbare Schnittstelle, die die ambulante EDA unter realen, frei beweglichen Bedingungen überwachen kann.

Könnten Sie Ihre Forschungsinteressen grob erläutern?

In den letzten 11 Jahren hat mein Labor eine Reihe tragbarer, nicht-invasiver elektronischer Tattoo-Aufkleber entwickelt, die an verschiedenen Stellen und Stellen der Haut angebracht werden können, um verschiedene biometrische Daten zu messen. Das Ziel besteht darin, den menschlichen Körper zu digitalisieren, so wie wir ein Auto oder ein Flugzeug digitalisieren, damit wir wissen, was mit dem menschlichen Körper in Bezug auf seine Leistung, Emotionen usw. vor sich geht. Aktuelle Wearables wie Smartwatches oder Smart Rings haben nur begrenzte Standorte und Modalitäten. Aber tatsächlich strahlt jeder Zentimeter unserer Haut Daten aus. Gehirnaktivitäten strahlen EEG (Elektroenzephalogramm), Herzschläge, EKG (Elektrokardiogramm) und SCG (Seismokardiogramm) sowie Muskel-EMG (Elektromyogramm) aus. Solche Signale müssen direkt über dem Zielgewebe gemessen werden. Deshalb wollen wir ein verteiltes Sensornetzwerk haben, um multimodale Signale von mehreren Standorten gleichzeitig zu messen. Kommerzielle Wearables basieren jedoch immer noch auf starrer Elektronik, die normalerweise recht sperrig ist und nicht mit unseren weichen und gewölbten Hautoberflächen kompatibel ist. Deshalb bauen wir die E-Tattoos, die ultradünn, ultraweich, im Grunde haardünn und hautweich, aber elektronisch funktionsfähig sind. Es handelt sich um temporäre, tätowierungsaufkleberartige Wearables. Sie sind nicht dauerhaft und wir können Sensoren, Prozessoren, Bluetooth-Chips und Batterien in sie integrieren.

Welche Entwicklungen haben Sie in diesem Artikel besprochen?

Unsere Palme ist ein besonderer Ort für elektrothermische Aktivitäten (EDA). Das liegt daran, dass unsere Handfläche die höchste Dichte an ekkrinen Schweißdrüsen aufweist, die von sympathischen Nerven gesteuert werden. Wenn wir psychischen Stress oder emotionale Schwankungen haben, können diese Reaktionen des sympathischen Nervs nicht bewusst gesteuert werden, da es sich bei EDA um eine periphere Reaktion handelt. Es wird bereits häufig als Indikator für psychischen Stress bei Patienten mit psychischen Problemen oder emotionalen Reaktionen beim Spielen oder bei Mensch-Roboter-Interaktionen verwendet. Um diese Signale zu erfassen, haben wir den ultradünnen GET-EDA-Sensor entwickelt, aber die Handfläche ist schwer zu entwerfen, da wir sie ständig verwenden. Unser Sensor ist dünn und weich und nicht wahrnehmbar, daher ist es wahrscheinlich, dass er während der Nutzung kein soziales Stigma erfährt.

Wie sehen Sie den zukünftigen Einsatz dieser Technologie?

Wir haben die Nutzung einer ambulanten, freien Wohnumgebung demonstriert. Es muss beim Training, beim Schlafen, bei der Arbeit, beim Lernen, beim Autofahren und beim Einkaufen funktionieren. Wir hoffen, dass dies in Zukunft ein alltäglicher Sensor sein könnte, der emotional stimulierende Ereignisse für Patienten kontinuierlich überwachen kann, oder dass er direkt von Ärzten oder Piloten während des Trainings verwendet werden kann, um zu sehen, wie emotional sie auf die Maschinen reagieren, mit denen sie zu tun haben.

In Ihrer Veröffentlichung verwenden Sie den Sensor in einem Proof-of-Concept-Experiment, um zu zeigen, dass er auf einen Reiz reagiert. Haben Sie Pläne für eine zukünftige Zusammenarbeit mit anderen Parteien in einem eher klinischen Umfeld, um das Instrument zu validieren?

Ja, tatsächlich sind wir auf der Suche nach einem guten Mitarbeiter im Bereich der psychischen Gesundheit oder Psychiatrie, um diese Technologie weiter voranzutreiben. Derzeit haben wir nur Mitarbeiter im Bereich Mensch-Roboter-Interaktion, die daran interessiert sind, dies anzuwenden. Wir sind daran interessiert, einen Kooperationspartner zu finden, der den Sensor für den klinischen Einsatz testen möchte.

Was sind Ihre Zukunftspläne für diesen Forschungszweig?

Außerdem entwickeln wir Gehirnsensoren zur Überwachung des Zentralnervensystems. Wir sind sehr daran interessiert, sowohl die zentralen als auch die peripheren Nervenreaktionen zu untersuchen, wenn Menschen unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt sind oder mit unterschiedlichen Maschinen umgehen. Aus technischer Sicht könnten diese optisch nicht wahrnehmbaren Tattoos nicht nur auf der Handfläche, sondern auch im Gesicht angebracht werden, da sie für den Menschen nicht sichtbar sind. Wir können alle Arten von elektrischen Potential- oder Hautleitfähigkeitsmessungen durchführen. Zuvor haben wir GET-Sensoren rund um die Augen angebracht, um die Augenrotation zu überwachen. Und wir haben gezeigt, dass man mit Augenbewegungen eine Drohne steuern kann. Mit einer Drohne schaute man nach links, und sie flog nach links. Dieses E-Tattoo könnte also auch eine direkte Mensch-Maschine-Schnittstelle sein.

Jang H., Sel K., Kim E. et al. Graphen-E-Tattoos für die ungehinderte ambulante elektrodermale Aktivitätserkennung auf der Handfläche, ermöglicht durch heterogene Serpentinenbänder. Nat Commun. 2022;13(1):6604. doi:10.1038/s41467-022-34406-2