Представьте себе: 2040 год, школьник с диабетом жуёт сладкую жвачку — и тут же получает уведомление на телефон: сахар в крови пошёл вверх. Такое же сообщение приходит его маме. Можно сразу отреагировать — без уколов, анализов, ожидания в очереди.
Что делает эту магию возможной? Крошечная графеновая татуировка. Она не колет, не жмёт, не требует подзарядки. Просто сидит на коже и в фоновом режиме отслеживает важные параметры организма: давление, пульс, уровень сахара или гормонов. Это не чип под кожей и не громоздкий трекер — это тонкий сенсор толщиной с пару слоёв молекул.
Звучит как научная фантастика? Вовсе нет. Такие разработки уже ведутся — не где-то там в 2077 году, а прямо сейчас. В десятках лабораторий по всему миру, включая Массачусетский университет, где над ними работает доцент Дмитрий Киреев.
Давайте разберёмся:
что вообще такое графеновые татуировки,
почему именно графен,
какие параметры они могут измерять,
и на каком этапе эта технология прямо сейчас.
Спойлер: жить мы будем не с чипами в голове, а с тонкими тату на коже — и это куда ближе, чем кажется.
Что такое графен и почему он идеально подходит для татуировок
Графен — это материал из одного слоя атомов углерода, уложенных в виде сот. При этом он прочнее стали, проводит электричество лучше меди, гибкий, как пластилин и почти невидимый.
Сложно поверить, но всё это — в одной «плёнке». Благодаря этим свойствам графен идеально ложится на кожу, не ощущается, не мешает движению и может вести точные измерения прямо с поверхности тела.
Поначалу графен считался токсичным — но позже выяснилось: дело было в методе его производства. Сейчас учёные научились делать биосовместимый графен с помощью химического осаждения и лазерной обработки. Например, исследование в Nature Nanotechnology (2024) прямо говорит: графен, используемый в биосенсорах, полностью безопасен — его даже применяли в нейроимплантах без вреда для организма.
Поэтому, если хочется сделать что-то, что будет плотно прилегать к коже, проводить сигналы и не вызывать раздражения, лучшего материала, чем графен, просто не придумали.
Как всё началось: от фантастики до первых прототипов
Как это часто бывает, всё началось не с лаборатории, а с фантастики. Ещё в 1995 году Нил Стивенсон в романе «Алмазный век» описал «медиатронные татуировки» — рисунки под кожей, которые могли двигаться и показывать информацию в реальном времени. Через несколько лет, в 1999-м, футуролог Роберт Фрайтас в книге «Наномедицина» представил идею миллиарда нанороботов, встроенных в кожу: они отслеживают параметры здоровья и показывают их прямо на теле, как на дисплее.
Фантастика? Ещё бы. Но уже в 2011 году идея стала обретать форму. Команда Джона Роджерса из Северо-Западного университета представила первый прототип «эпидермальной электроники»: тончайшие датчики, светодиоды и передатчики, собранные в устройство толщиной менее миллиметра. Его можно было просто наклеить на кожу — как переводную татуировку.
Первое применение было очень трогательным — такие датчики использовали для новорождённых в отделениях интенсивной терапии. Они не раздражали кожу, не мешали уходу и не могли быть случайно сорваны малышом. В 2017 году технология прошла клинические испытания, а затем стала тестироваться в больницах Индии, Пакистана и Замбии.
А что насчёт графена? Именно он дал идее новую жизнь. В середине 2010-х учёные начали использовать графен в подобных татуировках — он оказался идеальным: гибкий, прочный, проводящий ток и безопасный. Так появилась технология GET (Graphene Electronic Tattoos), которая позволила не просто снимать сигналы с кожи, а действительно встраивать сенсоры в повседневную жизнь.
Как работают графеновые татуировки
Умные татуировки бывают разными: одни снимают ЭКГ, другие следят за давлением, третьи анализируют состав пота. Каждая — со своей архитектурой и задачами, но принцип один: снять данные с тела максимально точно и при этом не мешать носителю.
Разберём, какие сигналы ловят эти тату, как они устроены и почему всё это — не так просто, как кажется.
Мониторинг работы сердца
Многие сердечно-сосудистые заболевания протекают бессимптомно и проявляются только при длительном наблюдении. Тут и приходит на помощь графеновая ЭКГ-татуировка.
Как это работает? На тело наклеивают три тату:
две — на грудь или запястья (они фиксируют основной сигнал),
третью — в стороне, для фильтрации фонового шума.
Сигналы с трёх сенсоров обрабатываются дифференциальным усилителем: он усиливает только разницу между основными сигналами и отбрасывает всё лишнее. Так тату фиксируют фазы работы сердца — деполяризацию и реполяризацию — те самые, что запускают каждое сердечное сокращение.
Данные передаются на смартфон или ПК по беспроводу (900 МГц / 2,45 ГГц), где уже визуализируются и анализируются.
Измерение давления: сложнее, чем кажется
Здесь тату работают по другому принципу: через участок кожи с артерией пропускают слабый ток (около 50 мкА). Поскольку кровь проводит ток лучше, чем окружающие ткани, сопротивление меняется в зависимости от давления.
На коже размещаются два активных и четыре пассивных сенсора.
Измеряется биоимпеданс — комплексное сопротивление тканей.
Эти данные обрабатываются с помощью обученной ML-модели, которая сопоставляет:
скорость прохождения пульсовой волны,
объём кровотока,
время задержки между импульсами,
электропроводность тканей,
эластичность артерий.
В итоге тату дают точную оценку давления — без манжет и надувания.
Чтобы обеспечить максимальную точность измерений, татуировки размещаются строго над лучевой и локтевой артериями: на запястье наклеивают два ряда по шесть графеновых сенсоров. На тыльной стороне руки — ещё четыре дополнительных датчика. Они фиксируют падение напряжения и помогают точно рассчитать биоимпеданс — комплексное сопротивление тканей.
Это тот случай, когда даже пара миллиметров смещения может исказить результат. Поэтому так важно, что графен плотно прилегает к коже, повторяет её рельеф и не смещается даже при движении.
Ключевая деталь: сенсоры должны быть закреплены точно. Смещение даже на 3–5 мм даст погрешность. Тут графен снова побеждает: он гибкий, повторяет рельеф кожи и не сдвигается при движении.
Диагностика через пот
Помимо давления и ЭКГ, графеновые татуировки активно применяются для анализа состава пота. Это особенно перспективное направление: пот содержит множество биомаркеров, которые могут многое рассказать о состоянии организма. Сейчас в лабораториях тестируются два подхода:
Пассивные сенсоры — например, татуировки, которые меняют цвет при превышении определённого уровня pH или солей. Их можно «прочитать» визуально, но они не дают точных цифровых данных.
Активные сенсоры — собирают пот в микрофлюидные камеры и проводят электрохимический анализ. Но такие решения обычно требуют внешний источник питания и отдельный модуль обработки сигналов.
Графеновые татуировки решают эту проблему иначе. Вместо массивных модулей они используют графеновый транзистор, модифицированный антителами, реагирующими на конкретные молекулы. Когда нужное вещество (например, кортизол — гормон стресса) взаимодействует с антителом, меняется сопротивление транзистора. Это изменение преобразуется в цифровой сигнал — и система «понимает», сколько вещества содержится в поте.
Пока учёные тестируют сенсоры на определение уровня кортизола, но в перспективе планируется отслеживание глюкозы, лактата, эстрогена и маркеров воспаления. Такие татуировки особенно полезны для тех, кто работает или живёт в условиях высокой нагрузки на организм: военных, космонавтов, пилотов, спортсменов.
Исследования Дмитрия Киреева и его команды
Одним из ведущих исследователей в области графеновых татуировок стал наш соотечественник Дмитрий Киреев — доцент Массачусетского университета в Амхерсте. С 2019 года он работает с технологией GET, в том числе в коллаборации с её авторами — Деджи Акинванде и Наншу Лу. А с 2022 года возглавляет собственную лабораторию, где развивает технологии непрерывного мониторинга жизненно важных показателей.
Измерение артериального давления — задача куда более сложная. Дмитрий Киреев и его команда используют метод биоимпедансной тонометрии, ранее опробованный Акинванде и Лу. Принцип работы такой: два тату-датчика (GET), нанесённые над артерией, создают переменный ток низкой амплитуды — около 50 мкА. Кровь обладает высокой электропроводностью, и ток, проходя через сосуд, меняется по характеристикам в зависимости от фаз пульсовой волны и текущего давления.
На другом участке тела — строго симметричном или отстоящем от зоны воздействия — размещаются четыре дополнительных графеновых сенсора, которые регистрируют изменения амплитуды и фазы сигнала. По сути, измеряется локальное комплексное сопротивление тканей — биоимпеданс — на разных частотах. Его изменение даёт косвенную информацию о колебаниях давления.
Однако между биоимпедансом и абсолютным значением давления нет жёсткой линейной зависимости. Поэтому применяется обученная ML-модель, которая учитывает:
скорость прохождения пульсовой волны;
объёмный кровоток;
временные задержки между импульсами;
электропроводность тканей;
эластичность сосудистой стенки.
На основе этих параметров система формирует персонализированный профиль и даёт измерения, сопоставимые по точности с тонометрами. Ключевой момент — стабильность контакта: даже смещение на 3–5 мм может внести погрешность. Графеновые тату выигрывают тем, что «прилипают» к коже как влитые и не сползают даже при нагрузке.
В рамках одного из тестов татуировки использовались более 5 часов подряд — это в десять раз дольше, чем в аналогичных исследованиях. Участники при этом выполняли физические упражнения, включая сжатие кисти и опускание рук в ледяную воду.
Результат: точность измерений превысила показатели коммерческих носимых устройств. Система соответствовала наивысшему классу по стандарту IEEE для безманжетных тонометров.
По тем же данным биоимпеданса исследователи также оценивали артериальную жёсткость — параметр, указывающий на состояние сосудов и развитие атеросклероза. Для этого использовались другие алгоритмы машинного обучения: анализировалась динамика сопротивления, его флуктуации и скорость реакции на токовые импульсы.
Второй приоритет лаборатории — разработка сенсоров на основе графеновых транзисторов для анализа пота.
В лабораторных условиях команда уже протестировала татуировки, реагирующие на кортизол. Сейчас идут работы по расширению линейки: в перспективе — сенсоры на глюкозу, лактат, эстроген, маркеры воспаления.
Дополнительно исследуются прототипы, способные определять пищевые токсины, уровень ферритина (запасы железа в организме) и даже различать COVID-19 и грипп. Пока татуировки тестируются in vitro — наносятся на стекло, на которое подаётся капля исследуемой жидкости.
Лаборатория Киреева получила грант от Национального научного фонда США (NSF) и планирует в течение 1–2 лет перейти к полноценным испытаниям на добровольцах. В параллель ведётся работа по миниатюризации компонентов и созданию автономных решений, которые смогут работать без внешних усилителей и передатчиков.
Будущее графеновых тату
Сегодня графеновые татуировки находятся на стадии активной лабораторной разработки. Уже протестированы работающие прототипы для измерения частоты сердечных сокращений, давления и кортизола. И хотя до массового внедрения в клинику ещё далеко, десятки исследовательских команд по всему миру — в США, Германии, Китае, Южной Корее — разрабатывают подобные биосенсоры на основе графена и других 2D-материалов.
Одна из ключевых задач на ближайшие 5–10 лет — интеграция татуировок с привычными устройствами, надёжность в реальных условиях и обеспечение безопасности медицинских данных. А дальше — построение полноценной skin-integrated системы: миниатюрной, автономной, с мультисенсорной архитектурой.
Аппаратная интеграция
Современные графеновые сенсоры требуют внешнего блока для сбора, усиления и передачи сигнала (например, Bluetooth- или NFC-модуль с микроконтроллером). Это сильно ограничивает повседневное использование. Следующий этап — перенос всей электроники в формат skin-integrated system. Для этого требуются:
гибкие усилители и трансиверы на базе органической электроники или новых транзисторных схем;
интеграция с энергосбором — например, piezo- или triboelectric-генераторы, либо RF-питание;
управляющие SoC на основе 2D-материалов — компактные, с низким энергопотреблением, способные обрабатывать сигнал прямо на тату.
Функциональность
Пока каждая татуировка заточена под один параметр. Следующая цель — мультисенсорные кластеры, где в одном блоке будет сразу несколько типов сенсоров:
биоимпеданс — для давления и жёсткости сосудов;
электрокардиография — для ритма и проводимости;
биохимия — для гормонов, глюкозы, электролитов;
температуры и pH — как фоновые данные для коррекции.
Это требует новой архитектуры, в которой сенсоры согласованы по таймингу, питанию и интерфейсам, а также калибруются на одного пользователя.
Обработка и ML-модели
Татуировки генерируют поток аналоговых сигналов, которые сильно зависят от условий: влажность кожи, давление, движение мышц, температура. Без умной фильтрации и адаптивных моделей смысла в этих данных немного.
Поэтому важным направлением остаётся разработка локальных алгоритмов препроцессинга и ML-моделей персонализированного мониторинга. Здесь особенно перспективны:
переносные lightweight-модели для edge-обработки;
federated learning — для сбора статистики без утечки данных;
совместимость с HL7/FHIR-стандартами — для интеграции с системами здравоохранения.
Безопасность и приватность
Любой biosensing device, работающий в always-on-режиме, автоматически становится потенциальной мишенью. Данные с него — это медицинская информация, а значит:
должны обрабатываться локально или в безопасной зоне;
передаваться только по шифрованным каналам;
не храниться дольше, чем нужно для клинических целей.
Уже сейчас поднимается вопрос о стандартах безопасности для wearable medical electronics. Их просто нет. А без них массовое внедрение невозможно.
Этические риски
И последнее, что нельзя игнорировать: инвазивность — пусть и в минимальной форме. Как только сенсор становится частью тела и работает непрерывно, мы входим в пространство киборгизации. Это требует не только инженерных решений, но и:
законодательства о праве на биоданные;
механизмов удаления/деактивации устройств;
пользовательских интерфейсов, контролирующих доступ.
Таким образом, графеновые татуировки — не просто один из модных гаджетов, а новый виток в развитии персонализированной медицины, IoT и телеметрии. Технологически мы почти готовы. Вопрос в том, как быстро мы сможем закрыть вопросы системного характера — от микроэлектроники до правового поля.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
