باحثون يابانيون يطورون ساعة ذكية جديدة تستشعر العرق يمكنها مراقبة تغيرات الصوديوم والبوتاسيوم في العرق في الوقت الفعلي

طور باحثون يابانيون مستشعراً على شكل سوار، نجح خلال اختبارات في موقع بناء حقيقي في تتبع إشارات الصوديوم والبوتاسيوم المرتبطة بالعرق لمدة بلغت ساعتين و45 دقيقة. طُور هذا الجهاز القابل للارتداء في معهد طوكيو للتكنولوجيا، ويجمع بين أقطاب مطبوعة، وطبقة تجميع العرق، ومعدات إلكترونية لاسلكية، لمراقبة التغيرات في التركيب الكيميائي للعرق أثناء العمل. وبالمقارنة مع المستشعرات المطبوعة التقليدية، يستخدم هذا النظام قطباً مرجعياً بنقطة اتصال سائلة، مصمماً لتحقيق الاستقرار السريع، مما يتيح إنتاج قراءات مستقرة دون الحاجة إلى إعداد مطول.

جرى اختبار النموذج الأولي خلال الأنشطة اليومية لعامل بناء، شملت الحركة والراحة وشرب الماء وتناول الطعام. وأشار الباحثون إلى أن النتائج تظهر قدرة النظام على جمع ونقل الإشارات المرتبطة بالعرق خارج ظروف المختبر. يعمل المستشعر عن طريق قياس تغيرات الجهد المرتبطة بأيونات الصوديوم والبوتاسيوم في العرق، وتشارك هذه المعادن في عمليات فسيولوجية متعددة، مما يجعلها أهدافاً مفيدة لأبحاث المراقبة القابلة للارتداء. وتعتمد هذه المستشعرات على أقطاب مرجعية لتوفير أساس كهربائي مستقر، فبدون قطب مرجعي، لا يمكن ربط تغيرات الجهد بشكل موثوق بتغيرات تركيز الأيونات.

اختبار النظام ومبدأ التشغيل

تتطلب الأقطاب المرجعية المطبوعة التقليدية وقتاً طويلاً نسبياً لتحقيق الاستقرار، مما يحد من جدواها في الأنظمة القابلة للارتداء المصممة للقياس المستمر. ولهذا السبب، دمج الباحثون قطباً مرجعياً بنقطة اتصال سائلة مطبوع بالشاشة الحريرية يحتوي على ثاني أكسيد السيليكون. تسمح هذه المادة بدخول الماء إلى طبقة الإلكتروليت، مما يساعد القطب على الوصول إلى جهد قياس مستقر دون الحاجة إلى ضبط مسبق مطول. ويضم الجهاز أيضاً قطباً انتقائياً للصوديوم وقطباً انتقائياً للبوتاسيوم مستقلين، مما يتيح الاستجابة المتزامنة لهذين الأيونين. وفوق الأقطاب توجد طبقة من القماش وألياف فائقة الامتصاص، تساعد على تجميع العرق، والحفاظ على رطوبة منطقة الاستشعار، ونقل العينة إلى المستشعر.

تتصل هذه المكونات بوحدة إلكترونية مخصصة على شكل سوار، تقوم بمعالجة الإشارات، ونقلها لاسلكياً إلى حاسوب، وتخزين نتائج القياس على بطاقة microSD. وأشار الباحثون إلى أن دمج هذه المكونات، وليس تطوير مواد أقطاب جديدة، هو التقدم الهندسي الرئيسي.

الاختبار الميداني والتطبيقات المستقبلية

اختبر الفريق النظام الكامل في موقع بناء نشط، حيث ارتدى المشاركون الجهاز لمدة تقارب 165 دقيقة أثناء أداء أنشطتهم اليومية المعتادة. وخلال الاختبار، واصل المستشعر التقاط إشارات الاستجابة للصوديوم والبوتاسيوم، ونُقلت هذه القراءات إلى حاسوب قريب وحُفظت محلياً. وقال الأستاذ المساعد في معهد طوكيو للتكنولوجيا، إيسامو شيدا: "الإنجاز الرئيسي في هذا العمل لا يكمن في اقتراح مادة قطب جديدة، بل في دمج الأقطاب المطبوعة، وآلية نقل العينة، ودائرة القياس اللاسلكية، مما أظهر جدواها في بيئة حقيقية."

شمل هذا الاختبار الميداني مشاركاً واحداً فقط. وأكد الباحثون أن هذه الإشارات لم تخضع بعد للتحقق من أجل كمّ تركيزات إلكتروليت العرق بدقة، وهناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات في ظروف تعرق خاضعة للرقابة، لكي تدعم بشكل موثوق تقييم الترطيب أو المراقبة الصحية. ويعتقد فريق البحث أن تصنيع الأقطاب المطبوعة سيمكن في النهاية من الإنتاج الضخم لأنظمة قابلة للارتداء مشابهة بتكلفة منخفضة. وتشمل التطبيقات المحتملة مراقبة العمال في مواقع البناء والمصانع، وكذلك الرياضيين والأشخاص الذين يمارسون الرياضة في الهواء الطلق في ظروف حارة. ونُشر هذا البحث في دورية "ACS Omega".

إمكانات التكنولوجيا القابلة للارتداء في المراقبة الصحية

يُظهر تطوير هذه الساعة الذكية الجديدة المستشعرة للعرق إمكانات التكنولوجيا القابلة للارتداء في مجال المراقبة الصحية. فمن خلال المراقبة الفورية لتغيرات الإلكتروليت في العرق، يمكن لهذه الأجهزة توفير بيانات فسيولوجية مهمة للعمال والرياضيين، مما يساعدهم على إدارة الترطيب والحالة الصحية بشكل أفضل. وعلى الرغم من أن الاختبارات الحالية لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحقق، فإن التكامل الناجح لهذه التكنولوجيا من المتوقع أن يدفع نحو تطبيقات مستقبلية في مختلف القطاعات، لا سيما في بيئات العمل والرياضة عالية الكثافة.