Hírfolyam
Új generációs, intelligens maszk fejlesztése indult a BME-n
2021. 06. 07.Szabadalmaztatás alatt áll a műegyetemi kutatók intelligens nanoszálas maszkja, amely a hatékony levegőszűrésen kívül a viselője légzését is nyomon követi.
„Másfél évvel ezelőtt még csak Ázsiából érkező hírfoszlányokat hallhattunk a mára világméretűvé vált koronavírus-járványról. Ekkortájt fogtam bele egy olyan kutatási témába, amelytől az elején csak reméltem, hogy ilyen helyzetben az emberek védelmét szolgálhatja. A kutatás vége ugyan még messze, de jó irányba tartunk” – fogalmazott He Haijun, a BME Gépészmérnöki Kar (GPK) Polimertechnika Tanszékének kínai PhD-hallgatója, aki szakmai mentora, Molnár Kolos, a tanszék adjunktusa támogatásával egy úttörő kutatásba fogott. Triboelektromos nanogenerátorokon (TENG) alapuló szenzorral ellátott, könnyen átlélegezhető és intelligens maszkszűrőt alkotott meg az emberi légzés monitorozásához. (A triboelektromos nanogenerátor (TENG) egy újonnan kifejlesztett energia-visszanyerő technológia, amely a mindenütt jelenlévő mechanikai energiát a kontaktelektromosság és az elektrosztatikus indukció kereszthatása alapján értékes elektromos energiává képes átalakítani – szerk.) A fiatal kutató megosztott első helyezést ért el a „BMe Kutatói Pályázat” 2020-as felhívásán, azaz a Műegyetem e-pályázatán a kiemelkedő kutatási területek interneten keresztül történő bemutatására kiírt felhíváson.
|
A „BMe Kutatói Pályázat” 2010-ben Mihály György professzor, az Egyetemi Habilitációs Bizottság és Doktori Tanács (EHBDT) elnöke kezdeményezésére indult, és azóta minden évben megrendezett tudományos megmérettetés a műegyetemi fiatal kutatók számára. Az EHBDT célja a pályázat kiírásával, hogy a BME kutatási eredményei közül a legkiemelkedőbbeket közérthetően prezentálva az e-felületen mindenki számára elérhetően láttassa, megmutatva ezzel a BME tudományos-technikai potenciálját. A felhívás további célja, hogy elősegítse a hazai ismeretterjesztést és az egyetem kutatási témáinak nemzetközi szinten történő nívós megjelenését is. A pályázatra olyan doktori hallgatók adhatják be pályaműveiket, akik még nem töltötték be a 35. életévüket, valamint a benyújtás időpontjában még nem rendelkeznek PhD-fokozattal. Az egyéni pályaművek a témavezető jóváhagyásával és írásos ajánlásával adhatók be. Az értékelés során a legfontosabb szempontok az értekezés által képviselt tudományos, műszaki (művészeti) érték, a megfogalmazás színvonala és közérthetősége, valamint a várható vagy már megvalósult tartalom tudományos jelentősége. „Az elmúlt 10 év tapasztalata, hogy a beérkező nagyszámú színvonalas pályázatok mindig nehéz helyzetbe hozzák a zsűrit, hogy a jók közül a legjobbakat válassza ki” – fogalmazott Nyulászi László, az EHBDT elnöke. A műegyetemi kutató felhívta a figyelmet, hogy a doktoranduszhallgatók számára szóló 2021-es ösztöndíjas pályázati kiírás - amely tartalmát tekintve a 2020-as feltételekkel megegyező felhívás - részletei jelenleg még véglegesítés alatt állnak, a pályázatok benyújtási határideje: 2021. július 5. A 2020-as év BMe Kutatói Pályázat nyerteseinek listája az alábbi linken érhető el. |
A levegőben különböző méretű aeroszolrészecskék (vírusok, baktériumok, gombaspórák, pollenszemek és ezek töredékei) találhatók, amelyek az emberi légzőrendszerbe jutva különböző egészségügyi problémákat vagy akár fertőző betegségeket is okozhatnak. A 2019-ben felfedezett új koronavírus körülbelül 60-140 nm nagyságú aeroszolrészecskékkel terjed, ám ennek továbbadását a fertőzött és az egészséges emberek között megakadályozhatja az ún. ömledékfúvással készített, mikroszálas sebészeti maszkok helyes viselete. He Haijun már a vírus ázsiai megjelenésének idején, jóval megelőzve az intenzív európai járványügyi intézkedéseket, kutatni kezdte, hogy az általa elektronmikroszkóppal is vizsgált nanoszálak jelentős továbbfejlesztési lehetőséget kínálnak a nagy teljesítményű légszűrők, a multifunkcionális eszközök és akár az emberek által viselt maszkok terén is.
A maszkszűrő szenzorának szerkezete
„A nanoszálak kiváló mechanikai tulajdonságokkal és kisebb szálátmérővel rendelkeznek. Többféle alapanyagból termelékenyen előállíthatók, továbbá az elektro-szálképzett nanoszálas szövedék kis pórusmérete és nagy fajlagos felülete miatt jó alternatívája lehet az ömledékfúvással készült maszkalapanyagoknak” – árulta el kutatásának részleteit az ösztöndíjas kutató, akinek célja hosszútávon egy olyan könnyen alkalmazható, kiváló szűrési tulajdonságokkal rendelkező, intelligens szenzorokkal ellátott és külső erőforrást nem igénylő maszk kifejlesztése, amely figyelemmel kíséri a felhasználó légzését, utalva a viselője aktuális egészségügyi állapotára. A maszkba a hagyományos szűrő helyett egy TENG szenzort építenének, amely mesterséges intelligenciával támogatva figyelemmel kíséri a maszk viselőjének légzését, miközben a maszk anyaga a nagy fajlagos felülete, porozitása és kicsi pórusmérete mellett megszűri a levegő nanoméretű részecskéit. A légzésszám egy olyan létfontosságú jel, amelyet bizonyos betegségek előrehaladásának, súlyosságának figyelemmel kísérésére alkalmaznak. „Egy ilyen módszer maszkokba való beépítése a COVID-19 által fertőzött betegek légzési állapotának felderítésében is hatékony lehet” – összegezte törekvéseiről He Haijun, majd annak egyediségére utalva hozzátette: a világon csupán néhány olyan kutatás létezik, ahol szűrőként és légzésfigyelő rendszerként egyidejűleg használható maszkok kifejlesztésével foglalkoznak.
A TENG-k kimeneti feszültsége a különböző légzési paraméterek mellett: (a) egyetlen légzési ciklus, (b) különböző légzésszámok, (c) különböző hányadosok (belégzési / kilégzési idő aránya), (d) a TENG tartóssága.
A díjazott fiatal kutató egy olyan, szerkezetileg optimálisan átalakított TENG-et valósít meg, amely a felesleges zavaró zajok kiszűrése mellett a különböző légzési paraméterek alapján stabil és mérhető feszültségjeleket generál. A feszültségjelek feldolgozásából következtethetnek a kutatók a maszkot viselő légzésének, és az ezzel összefüggő egészségügyi állapotának minőségére. A feszültségkimenet egyelőre még folyamatban lévő stabilizálása a feltétele az eszköz intelligens maszkként való alkalmazásának, e téren még zajlanak a vizsgálatok, továbbá a kutató összevetette saját maszkjának tulajdonságait a vírus elleni védekezésben hatékonynak bizonyuló KN95/FFP2-es maszkokkal is. Az új találmány szűrőképessége 98%-ban megfelelt ezen típusú maszkokénak. A szakember az anyagvizsgálat mellett az ún. Weissenberg-effektus felhasználásával egy új és hatékony módszert is kifejlesztett a nanoszálak előállítására, amellyel a szálképző kapilláris tűk kiválthatók. Módszerét rúdmászó elektro-szálképzésnek (angolul: Rod-Climbing Electrospinning, RC-ES) nevezte el, amelyhez egy saját berendezést tervezett és épített. A módszer előnye, hogy olyan, viszonylag viszkózus polimer oldatokból is előállíthatók a maszkokhoz szükséges nanoszálak, amelyeket a hagyományos elektro-szálképzéssel nem lehet feldolgozni. Megálmodott végterméke egy olyan, hétköznapi ember által is használható maszk lesz, amely alkalmas a maszkot alkotó nanoszálas membránok légzés hatására bekövetkező deformációjának mérésére, mindezt vezeték nélküli adattovábbítással, nagy pontossággal detektálva a viszonylag nagy és gyors légzésváltozásokat, a be- és kilégzés idejét is. A kísérletek során He Haijun a műegyetemi kutatók által fejlesztett lélegeztetőgépet is felhasználta: az emberi légzési folyamat szimulálása közben rögzítette az elektromos jeleket, méghozzá szabályozott körülmények és állítható paraméterek mellett. Az intelligens maszk kifejlesztési munkálataiban a műegyetemi karok közötti együttműködésnek köszönhetően részt vesz Guo Jian (BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar, Irányítástechnika és Informatika Tanszék, PhD-hallgató), aki a szenzor tesztelésében és az áramkör fejlesztésében vállal feladatokat.
Szálképzés (a) A Weissenberg-effektus (rúdmászás) vázlata, (b) A rúdmászó elektro-szálképzés (RCES) sematikus rajza, (c) Az elektro-szálképzéshez használt rudak, (d) a meniszkusz optikai képe a szálképzés során, (e ) az RCES által előállított nanoszálak képe.
A műegyetemi kutató által kifejlesztett módszer egyedülálló a világon, e metódust a kutató a BME Felsőoktatási és Ipari Együttműködési Központ (FIEK) támogatásával szabadalmi kezdeményezésként is benyújtotta, amely jelenleg elbírálás alatt áll. Az intelligens maszk első prototípusa már elkészült. A BME VIK kutatóinak szakmai támogatásával dolgoznak a következő prototípuson, amely várhatóan már képes lesz az adatok vezeték nélküli továbbítására. A szakemberek dolgoznak egy mobiltelefonos applikáció kifejlesztésén is, amely alkalmas a légzéssel kapcsolatos információk nyomon követésére és elemzésére, egészségügyi probléma esetén figyelmeztető jelet küldve a felhasználónak vagy akár kezelőorvosának is.
„Nagy megtiszteltetés számomra ez a szakmai díj, amelyre Magyarország kiváló szakemberei találtak érdemesnek. Egy ilyen elismerés megerősít abban, hogy elképzeléseimmel jó úton járok, megérte a sok befektetett munka, és tovább motivál abban, hogy folytassam a kutatásaimat egy olyan eszköz létrehozására, amellyel sokak mindennapi életét tehetem könnyebbé” – vallja a Kínában textilmérnökként végzett PhD-hallgató, aki magyar-kínai államközi ösztöndíjjal érkezett Magyarországra doktori tanulmányai megkezdésekor. „Egy nagyszerű ösztöndíj lehetősége, egy kiváló szakmai mentor és egy új, forradalmi kutatási téma vonzott a Műegyetemre” – mondja a díjazott fiatal, aki a tudományos munka mellett örömmel tanít: BSc-s és MSc-s hallgatóknak tart laborgyakorlatokat, emellett szívesen segíti tanítványait diplomamunkák és TDK-dolgozatok elkészítésében is. „Példaképként tekintek mindenkori tanáraimra, nekik köszönhetem a mérnöki tudományok iránti elkötelezettségemet, és lényegében azt, akivé váltam. Szeretnék ebből az attitűdből, hozzáállásból átadni a következő generációnak is” – zárta gondolatait a bme.hu-nak adott interjúban He Haijun.
|
|
TZS-HA
Képek forrása: He Haijun, Molnár Kolos