Czujniki do noszenia są wszechobecne dzięki technologii bezprzewodowej, która umożliwia płynne przesyłanie stężenia glukozy, ciśnienia krwi, tętna i poziomu aktywności z czujnika do smartfona w celu dalszej analizy.
Większość dzisiejszych czujników bezprzewodowych komunikuje się za pośrednictwem wbudowanych chipów Bluetooth, które same są zasilane małymi bateriami. Ale te konwencjonalne chipy i źródła zasilania będą prawdopodobnie zbyt nieporęczne dla czujników nowej generacji, które przybierają mniejsze, cieńsze i bardziej elastyczne formy.
Teraz inżynierowie MIT opracowali nowy rodzaj czujnika do noszenia na ciele, który komunikuje się bezprzewodowo bez konieczności stosowania wbudowanych chipów lub baterii. Ich projekt, omówiony dzisiaj w czasopiśmie Science, otwiera drogę do bezprzewodowych czujników bez chipów.
Zaprojektowany przez zespół czujnik jest formą elektronicznej skóry lub „e-skin” – elastycznej, półprzewodnikowej warstwy, która dopasowuje się do skóry jak elektroniczna taśma klejąca. Sercem czujnika jest ultracienka, wysokiej jakości warstwa azotku galu, materiału znanego ze swoich właściwości piezoelektrycznych, co oznacza, że może zarówno generować sygnał elektryczny w odpowiedzi na obciążenie mechaniczne, jak i wibrować mechanicznie w odpowiedzi na impuls elektryczny .
Naukowcy odkryli, że mogą wykorzystać dwukierunkowe właściwości piezoelektryczne azotku galu i jednocześnie wykorzystać materiał do wykrywania i komunikacji bezprzewodowej.
W swoim nowym badaniu zespół wyprodukował czyste, monokrystaliczne próbki azotku galu, które sparowali z przewodzącą warstwą złota, aby wzmocnić każdy przychodzący lub wychodzący sygnał elektryczny. Wykazali, że urządzenie było wystarczająco czułe, aby wibrować w odpowiedzi na bicie serca osoby, a także sól w pocie, a wibracje materiału generowały sygnał elektryczny, który mógł zostać odczytany przez pobliski odbiornik. W ten sposób urządzenie było w stanie bezprzewodowo przesyłać informacje o czujnikach, bez potrzeby stosowania chipa lub baterii.
„Czipy wymagają dużej ilości energii, ale nasze urządzenie może sprawić, że system będzie bardzo lekki bez żadnych chipów, które są energochłonne”, mówi autor badania, Jeehwan Kim, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej oraz inżynierii materiałowej. i kierownikiem w Laboratorium Badawczym Elektroniki.
„Możesz założyć go na ciało jak bandaż i sparować z bezprzewodowym czytnikiem w telefonie komórkowym, możesz bezprzewodowo monitorować puls, pot i inne sygnały biologiczne”.
Współautorami Kima są pierwszy autor i były podoktor MIT Yeongin Kim, który obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie w Cincinnati; współkorespondent Jiyeon Han z koreańskiej firmy kosmetycznej AMOREPACIFIC, która pomogła zmotywować obecną pracę; członkowie Kim Research Group w MIT; i inni współpracownicy z University of Virginia, Washington University w St. Louis i wielu instytucji w Korei Południowej.
Czysty rezonans
Grupa Jeehwana Kima wcześniej opracowała technikę zwaną zdalną epitaksją, którą zastosowała do szybkiego wzrostu i oddzielenia ultracienkich, wysokiej jakości półprzewodników z wafli pokrytych grafenem. Wykorzystując tę technikę, stworzyli i zbadali różne elastyczne, wielofunkcyjne folie elektroniczne.
W swoich nowych badaniach inżynierowie zastosowali tę samą technikę do oderwania ultracienkich monokrystalicznych warstw azotku galu, który w czystej, wolnej od defektów postaci jest bardzo czułym materiałem piezoelektrycznym.
Zespół starał się wykorzystać czystą warstwę azotku galu zarówno jako czujnik, jak i bezprzewodowy komunikator powierzchniowych fal akustycznych, które są zasadniczo drganiami w warstwie. Wzory tych fal mogą wskazywać na tętno danej osoby, a nawet bardziej subtelnie na obecność pewnych związków na skórze, takich jak sól w pocie.
Naukowcy postawili hipotezę, że czujnik oparty na azotku galu, przylegający do skóry, miałby własne „rezonansowe” wibracje lub częstotliwość, którą materiał piezoelektryczny mógłby jednocześnie zamienić na sygnał elektryczny, którego częstotliwość mógłby zarejestrować bezprzewodowy odbiornik. Każda zmiana stanu skóry, na przykład z powodu przyspieszonego tętna, wpłynęłaby na wibracje mechaniczne czujnika i sygnał elektryczny, który automatycznie przesyła do odbiornika.
„Jeśli nastąpi jakakolwiek zmiana tętna, substancji chemicznych w pocie, a nawet ekspozycji skóry na promieniowanie ultrafioletowe, cała ta aktywność może zmienić wzór powierzchniowych fal akustycznych na warstwie azotku galu” – zauważa Yeongin Kim. „A czułość naszego filmu jest tak wysoka, że potrafi wykryć te zmiany”.
Transmisja fal
Aby przetestować swój pomysł, naukowcy stworzyli cienką warstwę czystego, wysokiej jakości azotku galu i połączyli go z warstwą złota, aby wzmocnić sygnał elektryczny. Umieścili złoto na wzór powtarzających się hantli – przypominającej kratownicę konfiguracji, która nadawała pewną elastyczność normalnie sztywnemu metalowi. Azotek galu i złoto, które uważają za próbkę skóry elektronicznej, mają grubość zaledwie 250 nanometrów – około 100 razy cieńszą niż grubość ludzkiego włosa.
Umieścili nową e-skórkę na nadgarstkach i szyjach ochotników i użyli prostej anteny, trzymanej w pobliżu, aby bezprzewodowo zarejestrować częstotliwość urządzenia bez fizycznego kontaktu z samym czujnikiem. Urządzenie było w stanie wykrywać i bezprzewodowo przesyłać zmiany w powierzchniowych falach akustycznych azotku galu na skórze ochotników, związane z częstością akcji serca.
Zespół połączył również urządzenie z cienką membraną wykrywającą jony – materiałem, który selektywnie przyciąga docelowy jon, w tym przypadku sód. Dzięki temu ulepszeniu urządzenie mogło wykrywać i bezprzewodowo transmitować zmieniające się poziomy sodu, gdy ochotnik trzymał poduszkę grzewczą i zaczynał się pocić.
Naukowcy postrzegają swoje wyniki jako pierwszy krok w kierunku bezprzewodowych czujników bez chipów i przewidują, że obecne urządzenie można połączyć z innymi selektywnymi membranami w celu monitorowania innych ważnych biomarkerów.
„Wykazaliśmy wykrywanie sodu, ale jeśli zmienisz membranę wykrywającą, możesz wykryć dowolny docelowy biomarker, taki jak glukoza lub kortyzol, związany z poziomem stresu” – mówi współautor i podoktorat MIT, Jun Min Suh. „To dość wszechstronna platforma”.
Badanie to było wspierane przez AMOREPACIFIC.