„Elektroniczna skóra” stale monitoruje dziewięć oznak wskazujących na reakcję na stres

W najnowszym z serii innowacyjnych projektów czujników do noszenia, które wykorzystują pot do identyfikacji i pomiaru stanów fizjologicznych, Wei Gao, adiunkt inżynierii medycznej w California Institute of Technology, stworzył „elektroniczną skórę”, która stale monitoruje dziewięć różnych markery charakteryzujące reakcję na stres. .

Osoby noszące tę elektroniczną skórę – mały, cienki klej noszony na nadgarstku, zwany CARES (elektroniczna skóra wzmocniona sztuczną inteligencją) – mogą swobodnie wykonywać wszystkie swoje codzienne czynności przy minimalnej interwencji podczas testowania, co pozwala na pomiar. Zarówno w przypadku podstawowego, jak i ostrego poziomu stresu.

Artykuł opisujący urządzenie CARES nosił tytuł „Elektroniczna skóra z czujnikiem fizycznym i chemicznym do monitorowania reakcji na stres”. opublikowany W numerze miesięcznika z 19 stycznia Elektronika natury.

Stres to śliskie pojęcie. Mówimy o „poczuciu stresu” lub „stresującej” sytuacji i możemy skojarzyć stres z objawami fizycznymi: „Mam napięciowy ból głowy” lub „W nocy zgrzytam zębami. To musi być stres”. Termin stres może odnosić się do wszystkich rodzajów uczuć, objawów, zachowań i doświadczeń.

Hans Selye, lekarz i chemik urodzony w Wiedniu w 1907 roku, jako pierwszy zdefiniował stres jako schorzenie. Uderzony podobnymi dolegliwościami – takimi jak zmęczenie, zmniejszony apetyt i brak motywacji – jakie usłyszał od pacjentów cierpiących na bardzo różne dolegliwości, Seeley doszedł do wniosku, że wszyscy pacjenci reagowali na to, co ich łączyło: chorobę. Zdefiniował stres jako „niespecyficzną reakcję organizmu na jakiekolwiek żądanie”.

Stres może być odbierany pozytywnie jako podekscytowanie lub energia, lub negatywnie jako szok lub niepokój. Jednak bez względu na stres emocjonalny, z jakim możemy się zmierzyć, obecnie powszechnie uważa się, że w zależności od jego intensywności i czasu trwania, ostry i chroniczny stres może zaszkodzić naszemu zdrowiu fizycznemu i psychicznemu oraz zmniejszyć naszą zdolność do funkcjonowania w sposób, w jaki byśmy tego chcieli.

Ponieważ stres jest, jak to określił Selye, „niespecyficzny”, nie ma jednego biomarkera, który mógłby nam ostatecznie powiedzieć, czy i w jakim stopniu dana osoba jest zestresowana. Jednakże stres generuje konstelację reakcji fizycznych, które razem wzięte mogą zapewnić miarę stresu niezależną od subiektywnych raportów. Gao monitoruje tę konstelację poprzez CARES.

„Kiedy dana osoba jest pod wpływem stresu, do krwiobiegu uwalniane są hormony, takie jak adrenalina, norepinefryna i kortyzol” – wyjaśnia Gao, który jest także badaczem w Heritage Institute for Medical Research oraz stypendystą Ronalda i Joan Wellensów.

„Pot jest bogaty w metabolity, takie jak glukoza, mleczan i kwas moczowy, oraz elektrolity, takie jak sód, potas i amon. Są to substancje, które zmierzyliśmy przed użyciem próbek mikroprzepływowych na przenośnym czujniku potu.

„Nowością w CARES jest to, że czujniki potu są zintegrowane z czujnikami rejestrującymi kształt fali tętna, temperaturę skóry i reakcję galwaniczną skóry: sygnały fizjologiczne, które również w przewidywalny sposób wskazują na stres” – mówi Gao.

Nowe materiały zwiększają wydajność CARES. Chociaż materiały używane wcześniej do czujników potu można było wydajnie wytwarzać za pomocą druku atramentowego i umożliwiały dokładny pomiar nawet bardzo śladowych związków, materiały te stopniowo ulegają degradacji w obecności płynów ustrojowych. Wprowadzenie związku na bazie niklu pomaga ustabilizować czujniki enzymatyczne, takie jak te wykrywające mleczan lub glukozę, podobnie jak nowy polimer dodawany do czujników jonowych, które wykrywają biomarkery, takie jak sód lub potas.

„Dodanie tych nowych materiałów znacznie zwiększa stabilność czujnika podczas długotrwałej pracy” – mówi Gao. Podobnie jak poprzednie czujniki potu, CARES jest zasilany bateryjnie i może łączyć się bezprzewodowo z telefonem lub komputerem za pośrednictwem Bluetooth.

Kolejną ważną innowacją w CARES jest dodanie uczenia maszynowego. Ponieważ stres przybiera różne formy i wywołuje złożoną reakcję, która wpływa na wiele różnych układów organizmu, dokładna interpretacja dużej ilości danych jest kluczem do użyteczności CARES i innych czujników.

Eksperymenty stresowe na osobach noszących urządzenie CARES wykazały, że czujnik dokładnie mierzy korelację pomiędzy biomarkerami fizjologicznymi (np. puls) i chemicznymi (np. glukoza). Uczestnicy wypełniali także kwestionariusze, aby zgłosić swoje uczucie niepokoju i stresu przed i po ekspozycji na stresujące sytuacje, takie jak energiczne ćwiczenia lub intensywne gry wideo.

Dane wykazały wyraźne powiązania między samoopisem stresu a jego fizykochemicznymi korelacjami mierzonymi metodą CARES.

„Wysoki poziom stresu i niepokoju powodowany trudnymi warunkami pracy, takimi jak żołnierze czy astronauci, może znacząco wpłynąć na wydajność” – podkreśla Gao. „Wczesne wykrycie nasilenia stresu pozwala na szybką interwencję. Nasz noszony czujnik w połączeniu z uczeniem maszynowym może potencjalnie zapewnić wgląd w poziom stresu w czasie rzeczywistym”.