Самый известный побочный продукт ультразвука, названный так потому, что его частоты превышают диапазон человеческого уха, на самом деле является не аудио, а визуальным: 2D-изображениями, часто изображающими плод, созревающий в утробе матери. Но ультразвук нашел применение и в других областях медицины: от оценки кровотока до исследования подозрительных образований и диагностики заболеваний.
Эти диагностические возможности недавно побудили биомедицинских инженеров разработать носимые ультразвуковые устройства, которые могут постоянно отслеживать признаки проблем, в частности, отслеживая кровоток или ритмические движения сердца. Эти носимые устройства в идеале будут состоять из эластичного материала, который приспосабливается к движению и принимает человеческую форму.
К сожалению, на пути стоит серьезная инженерная проблема. В основе ультразвука лежат датчики, которые одновременно излучают высокочастотные звуковые волны и обнаруживают волны, отраженные от различных структур тела, в конечном итоге формируя изображение. Отражения возникают везде, где волны пересекают границу между двумя материалами, имеющими разные уровни сопротивления или акустического импеданса.
Чтобы преодолеть различное акустическое сопротивление, с которым волны сталкиваются при прохождении от преобразователя к человеческому телу (несоответствие, которое разрушает акустическую передачу), инженеры устанавливают между ними так называемые согласующие слои. Однако большинство частиц или материалов, используемых в качестве соответствующих слоев, оказались слишком жесткими для использования в гибких носимых устройствах.
Эрик Марквика из Небраски, Итан Крингс и их коллеги потратили годы на исследование свойств и потенциальных применений капель жидкого металла, в том числе сплавов на основе галлия. Стремясь создать более соответствующий, но все же функциональный согласующий слой, исследователи Husker поместили капли на основе галлия различных объемов и размеров в мягкий силикон.
При насыщении силикона примерно 70% капель команда обнаружила, что полученная плотность согласующего слоя увеличила его акустический импеданс более чем на 400% — до уровней, приближающихся к тем, которыми могут похвастаться более жесткие аналоги. И этот импеданс снизился всего на 13%, когда согласующий слой подвергался механической нагрузке, аналогичной той, которую он может выдерживать в составе носимого устройства.
Затем команда сотрудничала с Грегом Бэшфордом и Беном Хейджем из Небраски, чтобы интегрировать растягивающийся соответствующий слой в носимый ультразвуковой прототип. Когда прототипу был представлен движущийся объект, имитирующий движение сердечного клапана или другой ткани, он успешно зарегистрировал это движение, продемонстрировав свой потенциал в качестве диагностического устройства.
Их выводы опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
По словам команды, модификация капель жидкого металла, будь то путем адаптации их поверхностей или их сплавов, может еще больше улучшить характеристики соответствующих слоев, в которые они входят. По словам исследователей, по мере того, как медицина движется к носимым устройствам, эти соответствующие слои могут найти применение в специализированных ультразвуковых датчиках, которые помогут обнаруживать множество заболеваний и состояний.
