เส้นใยอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ นวัตกรรมเซนเซอร์ตรวจสุขภาพ บางเฉียบ ไร้สัมผัส

แนวคิด “เส้นใยอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ” นี้ได้แรงบันดาลใจจากใยแมงมุมที่สามารถยึดเกาะพื้นผิวต่างๆ ได้หลากหลายในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ งานวิจัยนำโดย ศ.Yan Yan Shery Huang จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Electronics

เส้นใยมีขนาดเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ถึง 50 เท่า มีน้ำหนักเบามาก จนพิมพ์ลงบนหัวเมล็ดที่นุ่มฟูของดอกแดนดิไลออนโดยตรง โดยไม่ทำลายโครงสร้างของมัน เมื่อพิมพ์บนผิวหนังของมนุษย์ ไฟเบอร์เซนเซอร์จะปรับรูปทรงไปตามผิวหนังและยังไม่ปิดรูขุมขนอีกด้วย ดังนั้นผู้สวมใส่จึงไม่รู้สึกว่ามีเส้นใยติดอยู่บนผิว

แม้ว่าผิวหนังของมนุษย์จะบอบบางมาก แต่การเสริมด้วยเซนเซอร์อิเล็กทรอนิกส์อาจเปลี่ยนการตอบสนองของเราต่อโลกได้ เช่น เซนเซอร์ที่พิมพ์ลงบนผิวหนังโดยตรงสามารถใช้เพื่อติดตามสุขภาพอย่างต่อเนื่อง เพื่อทำความเข้าใจความรู้สึกของผิวหนัง หรืออาจพัฒนาความรู้สึกแบบ 'สมจริง' ในการเล่นเกมหรือแอปพลิเคชันความเป็นจริงเสมือน (virtual reality หรือ VR)

จากการทดสอบเส้นใยที่พิมพ์บนนิ้วของมนุษย์ได้ข้อสรุปว่าสามารถใช้เป็นเครื่องตรวจสุขภาพอย่างต่อเนื่องได้ เพราะแม้ว่าปัจจุบัน เทคโนโลยีอุปกรณ์สวมใส่ที่มีเซนเซอร์แบบฝัง เช่น นาฬิกาอัจฉริยะ จะมีวางจำหน่ายทั่วไป แต่อุปกรณ์เหล่านี้อาจทำให้ไม่สบายตัว เกะกะ และอาจกระทบความสามารถในการรับรู้ของผิวหนังได้

ปัจจุบัน อาจมีหลายวิธีในการสร้างเซนเซอร์แบบสวมใส่ได้ แต่วิธีการเหล่านี้ล้วนมีข้อเสีย เช่น  อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นมักพิมพ์บนฟิล์มพลาสติกที่ไม่ให้ก๊าซและความชื้นผ่าน เหมือนการห่อผิวด้วยฟิล์มยึด แม้จะมีความพยายามพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นที่ซึมผ่านก๊าซได้ เช่น หนังเทียม แต่ก็ยังรบกวนความรู้สึก และใช้เทคนิคที่สิ้นเปลืองพลังงานและปล่อยของเสียมาก ขณะที่การพิมพ์ 3 มิติเป็นอีกทางเลือกที่ประหยัดกว่า แต่อาจได้อุปกรณ์ที่หนาจนรบกวนการทำงานปกติ

เทคนิคนี้ได้แรงบันดาลใจจากแมงมุมที่สร้างใยที่ซับซ้อนและแข็งแกร่ง แต่ปรับเข้ากับสภาพแวดล้อมโดยใช้วัสดุเพียงเล็กน้อย

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ปั่น 'ใยแมงมุม' ที่เป็นไบโออิเล็กทรอนิกส์จาก PEDOT:PSS (พอลิเมอร์นำไฟฟ้าเข้ากันได้กับชีวภาพ), กรดไฮยาลูโรนิก และโพลีเอทิลีนออกไซด์ เส้นใยคุณภาพสูงนี้ผลิตจากสารละลายน้ำที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุม "ความโค้งงอ" ได้ จากนั้นนักวิจัยได้ออกแบบวิธีการพิมพ์ให้ปรับตามพื้นผิวที่มีชีวิต แม้กระทั่งโครงสร้างจุลภาคอย่างลายนิ้วมือ

จากการทดสอบเส้นใยอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพบนพื้นผิวต่างๆ รวมถึงนิ้วของมนุษย์และหัวเมล็ดแดนดิไลออน โดยพิมพ์ลงบนพื้นผิวโดยตรง พบว่าเส้นใยให้ประสิทธิภาพเซนเซอร์สูงในขณะที่มองแทบไม่เห็น ซึ่งแตกต่างจากเซนเซอร์ความละเอียดสูงทั่วไปที่ผลิตในห้องปลอดเชื้อและต้องใช้สารเคมีที่เป็นพิษในกระบวนการผลิตแบบหลายขั้นตอนและใช้พลังงานมาก

เซนเซอร์ดังกล่าวผลิตได้ทุกที่ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย ซ่อมแซมได้ง่าย เมื่อหมดอายุการใช้งานก็จะสลายไป จึงสร้างขยะน้อยกว่า 1 มิลลิกรัมเท่านั้น เทียบกับการซักผ้า 1 ครั้งโดยทั่วไปจะสร้างของเสียจากเส้นใยระหว่าง 600 ถึง 1,500 มิลลิกรัม

นักวิจัยระบุว่าเส้นใยอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพใหม่นี้ สามารถใช้งานได้กว้างขวาง ตั้งแต่การติดตามสุขภาพ ความเป็นจริงเสมือน ไปจนถึงการเกษตรความแม่นยำสูงและการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม ในอนาคต อาจมีการผสานวัสดุฟังก์ชันอื่นๆ เข้ากับเทคนิคการพิมพ์เส้นใยนี้ เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ไฟเบอร์แบบรวมที่มีฟังก์ชันการแสดงผล การคำนวณ และการแปลงพลังงานได้อีกด้วย

ปัจจุบัน งานวิจัยกำลังอยู่ในขั้นตอนการนำไปใช้เชิงพาณิชย์ โดยได้รับการสนับสนุนจาก Cambridge Enterprise ซึ่งเป็นหน่วยงานเชิงพาณิชย์ของมหาวิทยาลัย

ที่มา

• Earth.com
• The University of Cambridge