Nová „elektronická koža“ nepotrebuje drôty, čipy ani batériu
Vedci z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) urobili významný pokrok vo vývoji novej elektronickej kože, ktorá potenciálne umožní dlhodobé snímanie koncentrácie glukózy, krvného tlaku, srdcovej frekvencie a ďalších hodnôt. Nový dizajn, ktorý vedci publikovali v časopise Science, je nielen úplne bezdrôtový, ale dokonca nevyžaduje ani batériu a vnútorný procesor.
Väčšina bezdrôtových senzorov dnes využíva na komunikáciu vstavané bluetooth čipy napájané malými batériami. Budúcnosť si ale žiada oveľa viac a v ešte „menšom balení“.
Súčasné konvenčné senzory sa spoliehajú na pevné súčasti s integrovanými obvodmi, čo spolu s potrebou značného množstva energie limituje celkovú flexibilitu týchto zariadení. Inžinieri z MIT preto vrhli všetko svoje úsilie do vývoja takého senzora, ktorý by tieto limity dokázal odstrániť. A podarilo sa.
V časopise Science publikovali dizajn novej bezdrôtovej, bezčipovej a energeticky nenáročnej elektronickej kože, ktorá je založená na senzoroch povrchových akustických vĺn, na výrobu ktorých využili ultratenké monokryštalické piezoelektrické membrány z nitridu gália. Táto elektronická koža na báze povrchových akustických vĺn umožňuje podľa výskumníkov vysoko citlivé, nízkoenergetické, a pritom dlhodobé snímanie napätia, ultrafialového svetla a koncentrácie iónov v pote.
Stvorenie novej e-kože
Nová elektronická koža je v podstate flexibilný polovodivý film, ktorý je schopný sa prispôsobiť pokožke, podobne ako lepiaca páska. Srdcom senzora je vysoko kvalitný ultratenký film z nitridu gália, ktorý je známy svojimi piezoelektrickými vlastnosťami. To znamená, že pri mechanickom namáhaní je schopný produkovať vlastné elektrické napätie a v reakcii na elektrický impulz mechanicky vibrovať. Vedci z MIT zistili, že môžu tieto obojsmerné piezoelektrické vlastnosti nitridu gália využiť a výsledný materiál použiť tak na snímanie, ako aj na bezdrôtovú komunikáciu.
Ako vedci postupovali? Tím si najprv vyrobil čisté monokryštalické vzorky nitridu gália, ktoré potom na zosilnenie prichádzajúcich a odchádzajúcich elektrických signálov spároval s vodivou vrstvou zlata. Toto zariadenie potom preukázalo dostatočnú citlivosť, aby vibrovalo v reakcii na tlkot srdca rovnako ako na soľ v pote a súčasne vibrácie materiálu generovali elektrický signál, ktorý bolo možné prečítať blízkym prijímačom. To znamená, že zariadenie bolo schopné získané informácie bezdrôtovo prenášať bez toho, aby vyžadovalo čipy alebo batérie.
„Čipy potrebujú veľa energie. Vďaka nášmu zariadeniu môže byť veľmi ľahké, pretože nepotrebuje žiadne čipy ani batérie. Môžete si ho priložiť na telo podobne ako obväz, spárovať so svojím mobilom a monitorovať svoj pulz, pot a ďalšie biologické signály,“ uviedol v správe MIT hlavný autor štúdie docent Jeehwan Kim.
Čistá rezonancia
Kimov tím už predtým vyvinul techniku zvanú vzdialená epitaxa, ktorú použil na rýchly rast a odlupovanie vysoko kvalitných ultratenkých polovodičov z doštičiek potiahnutých grafénom. Táto technika im umožnila vyrobiť a preskúmať rôzne flexibilné a multifunkčné elektronické filmy. Rovnakú techniku využil tím aj tentoraz pri práci s nitridom gália, ktorý je vo svojej čistej forme vysoko citlivým piezoelektrickým materiálom. Snahou vedcov bolo využiť čistý film nitridu gália ako senzor aj komunikátor povrchových akustických vĺn, čo sú v podstate vibrácie naprieč filmami. Vzory týchto vibrácií môžu naznačovať srdcovú frekvenciu a veľmi citlivo aj prítomnosť určitých zlúčenín na koži, teda napríklad už spomínanú soľ v pote.
Predpoklad Kimovho tímu bol, že senzor na báze nitridu gália prilepený na koži bude mať svoju vlastnú „rezonančnú“ frekvenciu. Tú potom piezoelektrický materiál dokáže premeniť na elektrický signál, ktorého frekvenciu môže zaregistrovať bezdrôtový snímač. Akákoľvek zmena stavu pokožky by potom ovplyvnila mechanické vibrácie snímača a elektrický signál, ktorý by sa automaticky prenášal do prijímača.
Očakáva sa široké využitie
Ako už bolo čiastočne spomenuté, pre praktické otestovanie nápadu si vedci z MIT vyrobili tenký film čistého a vysoko kvalitného nitridu gália, ktorý na zosilnenie elektrického signálu spárovali s vrstvou zlata v mrežovitej konfigurácii, ktorá inak tuhému kovu prepožičala potrebnú flexibilitu. Výsledná vzorka elektronickej kože z nitridu gália a zlata merala iba 250 nanometrov. Bola teda zhruba stokrát tenšia ako ľudský vlas. Vzorku potom výskumní pracovníci umiestnili na zápästie a krk dobrovoľníkov, pričom na bezdrôtovú registráciu frekvencie zariadenia použili jednoduchú blízko držanú anténu. Ukázalo sa, že zariadenie bolo schopné snímať a bezdrôtovo prenášať zmeny v povrchových akustických vlnách nitridu gália súvisiace so srdcovou frekvenciou dobrovoľníkov. Vedci tiež spárovali zariadenie s tenkou membránou snímajúcou ióny sodíka, ktorého koncentráciu dokázalo zariadenie spoľahlivo monitorovať vo chvíli, keď sa dobrovoľníci držali tepelnej podložky a začali sa potiť.
Tieto výsledky vedci z MIT považujú za prvý krok k bezdrôtovým senzorom bez čipov a očakávajú, že ich zariadenie by bolo veľmi ľahko spárovateľné aj s inými selektívnymi membránami na sledovanie ďalších životne dôležitých biomarkerov. Podľa vedcov z MIT ide teda o potenciálne všestranný nástroj. V blízkej budúcnosti by bolo možné detekovať prakticky akýkoľvek cieľový biomarker. Či už by sa jednalo napríklad o glukózu, alebo napríklad o kortizol súvisiaci s hladinou stresu atď.