Ang mga mananaliksik sa NUS ay kumukuha ng leksyon mula sa aklat ng kalikasan upang maunlad ang ‘eAir’ — isang aero-elastic na sensor na magrerbolusyon sa paraan ng pagdedetekta ng presyon
SINGAPORE, Aug. 18, 2023 — Ang mga mananaliksik sa Pambansang Unibersidad ng Singapore (NUS) ay nag-develop ng bagong uri ng aero-elastic na sensor ng presyon, tinatawag na ‘eAir’. Maaaring gamitin ang teknolohiyang ito sa mga minimally-invasive na operasyon at implantable na sensor sa pamamagitan ng direktang pagtugon sa mga hamon na kaugnay ng umiiral na mga sensor ng presyon.
Ang sensor ng eAir ay naghahangad ng mas mataas na presyon at pagiging mapagkakatiwalaan sa mga medikal na aplikasyon. Maaari nitong mapalitan ang mga laparoscopic na operasyon sa pamamagitan ng pagbibigay ng tactile na feedback para sa mga doktor, na nagpapahintulot ng mas tumpak na paglulunas ng mga tissues ng pasyente. Bukod pa rito, maaaring mapabuti ng sensor ang karanasan ng pasyente sa pamamagitan ng pagkakaloob ng mas hindi invasive na paraan ng pagbabantay sa intracranial pressure (ICP), isang mahalagang metriko sa kalusugan para sa mga taong may mga kondisyon sa utak.
Pinangunahan ni Associate Professor Benjamin TEE mula sa Kolehiyo ng Disenyo at Inhinyeriya ng NUS at Institute for Health Innovation & Technology ng NUS ang pananaliksik ng grupo na kamakailan ay inilathala sa aklatang pang-agham na Nature Materials noong 17 August 2023.
Mula sa dahon ng lotus hanggang sa laboratoryo: Pag-aplay ng disenyo ng kalikasan
Karaniwang nahihirapan ang mga konbensyonal na sensor ng presyon sa pagbibigay ng tumpak na mga basa. Mahirap nitong ibalik ang katulad na mga resulta kapag ang parehong presyon ay inilalapat ulit-ulit at maaaring hindi mapansin ang mga pagbabagong nangyayari sa presyon — lahat ng ito ay maaaring humantong sa malaking mga pagkakamali. Gawa rin sila mula sa matigas at mekanikal na hindi malambot na mga materyales.
Upang tugunan ang mga hamon sa pagdedetekta ng presyon, kinuha ng grupo mula NUS ang inspirasyon mula sa phenomenon na kilala bilang ‘lotus leaf effect’ — isang natatanging natural na pangyayari kung saan madaling tumakbo ang mga bulaklak ng tubig mula sa ibabaw ng dahon, na nagagawa dahil sa kanyang mga minikroskopikong estruktura na tumatakas sa tubig. Ang pag-imita nito, nag-engineer ang grupo ng isang sensor ng presyon na idinisenyo upang mapabuti ang pagganap sa pagdedetekta.
“Ang sensor, katulad ng isang miniaturong ‘capacity meter’, ay maaaring madetekta ang mga pagbabagong presyon — katulad ng sensitibidad ng isang dahon ng lotus sa napakahinang hagod ng isang bulaklak ng tubig,” paliwanag ni Assoc Prof Tee.
Sa pamamagitan ng pag-aplay ng inobatibong disenyong ‘air spring’, naglalaman ang sensor ng eAir ng isang nakapaloob na layer ng hangin, na bubuo ng isang hangin-tubig na interface sa pagkakontak nito sa likido ng sensor. Habang tumataas ang panlabas na presyon, nakompresyon ang layer ng hangin na ito. Ang pagtratrabaho sa ibabaw ay nagreresulta sa isang walang-gisang galaw ng interface sa loob ng sensor, na nagpapanig sa pagbabago ng mga signal na elektrikal na tumpak na naglalarawan sa presyong iginagalaw.
Gamit ang disenyong ito, ang natural na kakayahang tumakas sa tubig ng dahon ng lotus ay muling inisip bilang isang simpleng ngunit elegante na kasangkapan sa pagdedetekta ng presyon.
Maaaring gawin ang mga device ng eAir na kaunti lang ang laki — sa ilang milimetro lamang — at ito ay katumbas ng umiiral nang mga sensor ng presyon.
Potensyal na makasaysayang pag-unlad para sa minimally invasive na mga operasyon
Malawak ang mga aktuwal na aplikasyon ng bagong teknolohiyang ito. Halimbawa, sa mga laparoscopic na operasyon kung saan mahalaga ang tumpak na tactile na feedback, ang pagdadagdag ng mga sensor ng eAir ay maaaring humantong sa mas ligtas na mga pamamaraan sa operasyon, na sa huli ay papabuti sa pagkarekober at prognosis ng pasyente.
“Ang pagsasagawa ng mga operasyon gamit ang mga graspers ay may kaniyang sariling mga hamon. Ang tumpak na kontrol at tumpak na pagtanggap ng mga lakas na ipinapatupad ay mahalaga, ngunit maaaring kulangin ang mga tradisyonal na kasangkapan, na nagpapahintulot sa mga doktor na umasa nang malaki sa kanilang karanasan, at kahit sa kanilang kutob. Ngunit maaaring baguhin ng pagkakaroon ng malambot at madaling i-integrate na mga sensor ng eAir ang larangan ng minimally invasive na mga operasyon,” sabi ni Assoc Prof Tee, na kasapi rin sa Kagawaran ng Agham sa Materyales at Inhinyeriya ng NUS.
Bukod pa rito, nagdadala ang eAir ng pagkakataong mapabuti ang proseso ng pagbabantay sa intracranial pressure — ang presyon sa loob ng bungo na maaaring makaapekto sa kalusugan ng utak. De katulad, sa pamamagitan ng pag-aalok ng isang solusyong hindi masyadong invasive, maaaring baguhin ng teknolohiyang ito ang karanasan ng pasyente sa pamamahala ng mga kondisyon sa utak, mula sa matinding sakit ng ulo hanggang sa potensyal na pinsala sa utak.
Pagbubukas ng hinaharap ng matalino san pagdedetekta
Naghahanda ang grupo mula NUS para sa mga kolaborasyon sa mga pangunahing manlalaro sa larangan ng medisina. Samantala, nagsampa na sila ng patent para sa teknolohiya ng sensor ng eAir sa Singapore, at naglalayong i-translate ito para sa aktuwal na mga aplikasyon.
“Gusto naming pag-ibayuhin pa ang sensor ng eAir upang mapabuti ang katangian nito sa pamamagitan ng pag-aaral ng iba’t ibang bagong mga materyales at mikro-istruktural na disenyo,” sabi ni Assoc Prof Tee.
Nakikitang ng grupo ang teknolohiyang eAir na maaaring isaalang-alang sa isang malawak na katipunan ng mga aplikasyon para sa mga kapaligirang may likido.