Микронасосы, подобные коже, превращают движение человека в микрофлюидный поток с помощью морфирующихся клапанов

Преобразование повседневного движения в деликатное управление жидкостью

Представьте повязку или носок, которые тихо подают лекарство или отводят жидкость из раны каждый раз, когда вы идёте, сгибаете лодыжку или колено. В этой статье представлен мягкий, похожий на кожу насос, который делает именно это, используя обычное движение тела как единственный источник энергии. Устройство призвано заменить громоздкие работающие насосы больниц тонкими, комфортными пластырями, которые могут доставлять или удалять крошечные объёмы жидкости прямо на теле в повседневной жизни.

Почему перемещать жидкости по телу так сложно

Современная медицина часто зависит от точного управления жидкостями — от химиотерапии и диализа до управления выделениями из хронических ран. Сегодня этот контроль обычно обеспечивается жёсткими машинами с трубками, электроникой и источниками питания. Эти системы хорошо работают в клиниках, но они неудобны, сложно носить длительное время и не подходят для непрерывного лечения дома или в движении. Существующие миниатюрные насосы либо требуют электричества, давления воздуха, магнитов, либо точного нажатия пальцем, и многие нуждаются в сложных клапанных структурах, которые трудно интегрировать в мягкие, прилегающие к телу материалы.

Мягкий насос, который ощущается как вторая кожа

Исследователи создали новое устройство под названием OSMiPump, полностью выполненное из мягкого силикона, который гнётся и растягивается вместе с кожей. Внутри материала расположен тонкий арочный микроканал, напоминающий крошечную волнистую трубку. Часть этой трубки играет роль центральной камеры насоса, тогда как соседний участок функционирует как встроенный односторонний клапан. Когда окружающий силикон растягивается, оба участка аккуратно сплющиваются, выдавливая жидкость вперёд. Когда растяжение снимается, оба участка восстанавливаются по-разному, и именно эта разница заставляет жидкость двигаться только в одном направлении без жёстких деталей или внешнего питания.

Как растяжение превращается в однонаправленный поток

Суть конструкции — контраст между двумя формами в одном канале. Камера насоса настроена так, чтобы деформироваться плавно и затем возвращаться в исходное состояние. В отличие от неё, зона клапана сделана тоньше и выше, поэтому она защёлкивается между двумя состояниями, немного как гибкий купол, который выпрямляется и затем «выпадает» внутрь. При растяжении и камера, и клапан выдавливают жидкость вперёд к выходу. При расслаблении камера тянет жидкость назад с обеих сторон, но клапан внезапно защёлкивается в состояние, блокирующее обратный поток, — добраться до стороны выхода становится значительно труднее. Через короткое время клапан снова возвращается в исходное положение, готовый к следующему циклу. Повторяя цикл растяжения и расслабления, система постепенно перемещает жидкость от подачи к выходу, создавая суммарный прямой поток.

Испытания работы в лаборатории

Чтобы понять и настроить это поведение, команда сочетала эксперименты с компьютерными моделями, которые связывают движение жидкости и упругую деформацию. Они варьировали размер клапана, толщину стенки, уровень деформации, скорость привода и сопротивление на входе и выходе. Устройства с несколькими маленькими клапанами работали лучше, чем с одним длинным клапаном, перемещая до примерно 0,16 микролитра в секунду при двадцати процентах растяжения и низком сопротивлении. Даже при узких трубках или интегрированных каналах, которые осложняли поток, насос по-прежнему создавал полезные давления — порядка нескольких килопаскалей. Группа также испытала разные жидкости — от водоподобных растворов до густого глицерина — и обнаружила, что умеренная вязкость может фактически улучшать перекачку, замедляя обратное защёлкивание клапана настолько, чтобы усилить однонаправленный поток. Ориентация тоже имела значение: насос работал лучше, когда главный канал был примерно выровнен по направлению растяжения, что даёт дизайнерам возможность контролировать, когда и где он активируется на теле.

От лабораторного стола к носимым носкам и пластырям

Помимо лабораторных тестов, авторы продемонстрировали насос в реалистичных носимых форматах. Они встроили OSMiPump в силиконовые носки, проложив каналы так, чтобы движения лодыжки либо доставляли окрашенную жидкость к моделируемому месту лечения, либо отводили имитированную раневую жидкость в впитывающую подушку. Каждый шаг с подошвенным сгибанием продвигал фронт жидкости, и естественная ходьба при типичных уровнях растяжения голеностопа обеспечивала стабильную, повторяемую транспортировку. В другом варианте насос был приклеен к тонкой прозрачной медицинской плёнке, похожей на обычную больничную повязку, и размещён над коленом. Многократное сгибание колена вызывало управляемое однонаправленное движение жидкости по каналу, показывая, что тот же дизайн может работать как пластырь, который можно разместить в разных местах тела.

Что это может означать для будущего ухода

В целом исследование показывает, что возможно напрямую превращать обычное движение тела в управляемое перемещение жидкости, используя только мягкие материалы и умную геометрию. OSMiPump действует скорее как источник плавного потока, чем как насос высокого давления, но его можно настроить для работы с разными нагрузками, жидкостями и движениями. Поскольку он не требует батареи, мотора или жёсткого корпуса, он может позволить появление новых типов носимых систем для длительного ухода за ранами, направленной доставкой лекарств при движении, сбора пота или тканевой жидкости, и даже для мягкой робототехники. Для пациентов обещание просто: лечение и мониторинг, которые тихо происходят в фоновом режиме, пока они ходят, занимаются спортом или живут обычной жизнью.

Цитирование: Altay, R., Olson, K., Brown, J. et al. Skin-like micropumps transform human motion into fluidic flow via morphing valves. Microsyst Nanoeng 12, 167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01286-1

Ключевые слова: носимая микрофлюидика, микронасос, похожий на кожу, насос, приводимый движением, устройства для ухода за ранами, доставка лекарств