Nieuwe technologische apparaten geven prioriteit aan het niet-invasief volgen van vitale functies, niet alleen voor fitnessmonitoring, maar ook voor de preventie van veelvoorkomende gezondheidsproblemen zoals hartfalen, hypertensie en stressgerelateerde complicaties, onder andere. Wearables op basis van optische detectiemechanismen blijken van onschatbare waarde voor het rapporteren over de innerlijke werking van ons lichaam en hebben de afgelopen jaren een grote penetratie in de consumentenmarkt ervaren. Huidige draagbare technologieën, gebaseerd op niet-flexibele componenten, leveren niet de gewenste nauwkeurigheid en kunnen slechts een beperkt aantal vitale functies bewaken. Om dit probleem aan te pakken, aanpasbare, niet-invasieve optische sensoren die een bredere reeks vitale functies kunnen meten, staan ​​bovenaan het verlanglijstje van eindgebruikers.

In een recente studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , ICFO-onderzoekers hebben een nieuwe klasse flexibele en transparante draagbare apparaten gedemonstreerd die zich aan de huid aanpassen en continue en nauwkeurige metingen van meerdere menselijke vitale functies kunnen bieden. Deze apparaten kunnen de hartslag meten, ademhalingsfrequentie en zuurstofvoorziening van de bloedpuls, evenals blootstelling aan UV-straling van de zon. Terwijl het apparaat de verschillende parameters meet, de uitlezing wordt gevisualiseerd en opgeslagen op een mobiele telefooninterface die via Bluetooth met de wearable is verbonden. In aanvulling, het apparaat kan zonder batterij werken omdat het draadloos wordt opgeladen via de telefoon.

"Het was erg belangrijk voor ons om het brede scala aan potentiële toepassingen voor onze geavanceerde lichtdetectietechnologie te demonstreren door het maken van verschillende prototypes, inclusief de flexibele en transparante armband, de gezondheidspatch die op een mobiele telefoon is geïntegreerd en de UV-bewakingspatch voor blootstelling aan de zon. Ze zijn veelzijdig en efficiënt gebleken dankzij deze unieke eigenschappen, " meldt Dr. Emre Ozan Polat, eerste auteur van deze publicatie.

De armband is zo gefabriceerd dat hij zich aanpast aan het huidoppervlak en zorgt voor continue metingen tijdens activiteit (zie figuur 1). De armband bevat een flexibele lichtsensor die optisch de verandering in het volume van bloedvaten kan registreren, door de hartcyclus, en haal vervolgens verschillende vitale functies eruit, zoals hartslag, ademhalingsfrequentie en zuurstofvoorziening van de bloedpuls.

Ten tweede, de onderzoekers rapporteren over de integratie van een grafeen-gezondheidspatch op het scherm van een mobiele telefoon, die onmiddellijk vitale functies meet en in realtime weergeeft wanneer een gebruiker één vinger op het scherm plaatst (zie afbeelding 2). Uniek aan dit prototype is dat het apparaat gebruik maakt van omgevingslicht om te werken, het bevorderen van een laag stroomverbruik in deze geïntegreerde wearables en dus, waardoor een continue monitoring van gezondheidsmarkers over lange perioden mogelijk is.

ICFO's geavanceerde lichtdetectietechnologie heeft twee soorten nanomaterialen geïmplementeerd:grafeen, een zeer flexibel en transparant materiaal gemaakt van één atoom dikke laag koolstofatomen, samen met een lichtabsorberende laag gemaakt van quantum dots. De gedemonstreerde technologie brengt een nieuwe vormfactor en ontwerpvrijheid op het gebied van wearables, op grafeen-quantum-dots gebaseerde apparaten een sterk platform maken voor productontwikkelaars. Dr. Antonios Oikonomou, business developer bij ICFO benadrukte dit door te stellen dat "de bloeiende wearables-industrie gretig op zoek is naar verbetering van de betrouwbaarheid en functionaliteit van haar aanbod. Ons op grafeen gebaseerde technologieplatform beantwoordt deze uitdaging met een unieke propositie:een schaalbare, systeem met laag vermogen dat meerdere parameters kan meten en tegelijkertijd nieuwe vormfactoren in producten kan vertalen."

Dr. Stijn Goossens, co-promotor van de studie, merkt ook op dat "we een doorbraak hebben gemaakt door een flexibele, draagbaar detectiesysteem op basis van lichtgevoelige componenten van grafeen. De sleutel was om het beste uit de rigide en flexibele werelden te kiezen. We gebruikten de unieke voordelen van flexibele componenten voor het detecteren van vitale functies en combineerden dat met de hoge prestaties en miniaturisatie van conventionele stijve elektronische componenten."

Eindelijk, hebben de onderzoekers met de technologie een breed golflengtedetectiebereik kunnen aantonen, uitbreiding van de functionaliteit van de prototypes buiten het zichtbare bereik. Door dezelfde kerntechnologie te gebruiken, ze hebben een prototype van een flexibele UV-patch gefabriceerd (zie figuur 3) die in staat is om zowel stroom als data draadloos over te dragen, en werkt zonder batterijen om de UV-index van de omgeving te voelen. De patch werkt met een laag stroomverbruik en heeft een zeer efficiënt UV-detectiesysteem dat op kleding of huid kan worden bevestigd, en gebruikt voor het bewaken van de stralingsopname van de zon, het waarschuwen van de drager van een mogelijke overmatige blootstelling.

"We zijn enthousiast over de vooruitzichten voor deze technologie, wijzend op een schaalbare route voor de integratie van grafeen-kwantum-dots in volledig flexibele draagbare circuits om de vorm te verbeteren, gevoel, duurzaamheid, en prestaties, " merkt prof. Frank Koppens op, leider van de Quantum Nano-Optoelectronics-groep bij ICFO. "Dergelijke resultaten tonen aan dat dit flexibele draagbare platform compatibel is met schaalbare fabricageprocessen, bewijzen dat massaproductie van goedkope apparaten in de nabije toekomst binnen handbereik is."