Strækbar, selvdrevet bioelektronik efterligner hud i form og funktion

Hudlignende elektronik kunne problemfrit integreres med kroppen til anvendelser inden for sundhedsovervågning, medicinbehandling, implanterbart medicinsk udstyr og biologiske undersøgelser.

Med hjælp fra Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation har Sihong Wang, en assisterende professor i molekylær ingeniørvidenskab ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering, sikret sig patenter på byggestenene i disse nye enheder.

Med udgangspunkt i innovation inden for halvlederfysik, solidmekanik og energividenskab omfatter dette arbejde skabelsen af ​​strækbare polymerhalvledere og transistorarrays, som giver enestående elektrisk ydeevne, høje halvledende egenskaber og mekanisk strækbarhed. Derudover har Wang udviklet triboelektriske nanogeneratorer som en ny teknologi til at høste energi fra en brugers bevægelse - og designet den tilhørende energilagringsproces.

Målet er at kombinere disse fremskridt for at udvikle enheder, der kan klæbes til en brugers hud eller i kroppen for at detektere vitale signaler i realtid "meget mere" effektivt end de nuværende tilgængelige muligheder, sagde Wang og tilføjede, at dette arbejde har været blandt de hurtigst fremadskridende områder inden for materialevidenskab og elektronisk teknik.

"I løbet af det sidste årti har denne overordnede retning med at udvikle elektronik, der kan arbejde mere intimt med den menneskelige krop, virkelig tiltrukket sig en masse opmærksomhed fra den akademiske verden og industrien," sagde Wang. "Fordi folk har set det store hul og også den store mulighed her for at have den elektronik, der fungerer for den menneskelige krop på en mere intim måde."

Ved at gribe denne mulighed tager Wang sin forskning i flere retninger. "Vi skabte en ny struktur og indgav et patent gennem Polsky baseret på vores udviklinger for en ny type tryksensor, som kan strække sig ligesom huden, men som ikke har et skift i ydeevne," forklarede Wang.

Arbejder med kollegerne Stacy Lindau, MD, MA, professor i obstetrik og gynækologi og medicin-geriatri og direktør for et forskningslaboratorium i Biological Sciences Division, og Sliman Bensmaia, James og Karen Frank familieprofessor i organismbiologi og anatomi, Wang er ved at bruge denne sensor til at skabe et neuralt-protesesystem, der ville blive implanteret under huden på mastektomipatienter. Kaldet Bionic Breast Project, målet er at genoprette følelsen af ​​brystområdet.

"Sådanne sensorer kan arbejde på samme måde som sansende receptorer i brystet til at registrere fysisk kontakt/bevægelse ved at konvertere det til et elektrisk signal," sagde Wang.

Disse sensorer kan også bruges til at udvikle såkaldt elektronisk hud til blød robotteknologi, hvilket giver dem evnen til at sanse og opfatte på nye måder. I de næste fem år sagde Wang dog, at han forventer, at de mest umiddelbare anvendelser af dette arbejde ville være for en enhed, der udvinder flere typer signaler fra kroppen, såsom puls og blodtryk. Og de gør netop det.

Når man ser fremad, er målet at detektere signaler fra forskellige biomarkører i sved.

"I den nuværende medicinske praksis er den eneste måde at få et panel af biokemisk information på gennem en blodprøve, som ikke kun er invasiv, men ikke øjeblikkelig," bemærkede Wang. "Dette ville være endnu en stor game changer for den måde, hvorpå alle kan få deres sundhedsstatus på en meget mere effektiv og hyppig måde." Wang offentliggjorde for nylig de to første værker, der skitserer strategien for at opnå strækbare biosensorer med høj følsomhed og selektivitet.

Strækbare skærme og kropsdatabehandling med AI

En anden kritisk komponent i hudlignende enheder er en fleksibel skærm til at kommunikere med brugerne. Til dette har Wang og hans gruppe udviklet en anden vigtig ny type materiale:elektroluminescerende polymerer. Yderst effektiv, polymeren udsender klart lys og bevarer ydeevnen, mens den er strakt.

Som afrunding af arbejdet udforsker holdet også kombinationen af ​​enhederne med kunstig intelligens (AI).

"Vi tænker på fremtiden, at succesen med bærbare enheder vil være i deres evne til løbende at udtrække og overvåge sundhedsoplysninger fra den menneskelige krop," sagde Wang. "Så vil de genererede data virkelig være 'big data' sammenlignet med nu, kun med øjebliksbilleder af en testrapport."

Som med alle datasæt er det næste spørgsmål, hvordan man effektivt og med høj gennemstrømning kan analysere og udtrække nyttig sundhedsinformation.

"Vi forsøger at udvikle en ny type computerenhed og platform, der virkelig effektivt kan implementere AI eller maskinlæringsalgoritme direkte på huden eller på kroppen uden at være afhængig af at flytte eller transmittere information trådløst til en central computerplacering, såsom skyen." forklarede Wang. "Analyse kan være meget hurtigere, og du har ikke risikoen for at miste meget private helbredsoplysninger fra disse trådløse transmissioner."

Den halvlederbaserede computerplatform er en "neural netværkscomputer", inspireret af, hvordan hjernen fungerer.

"I sidste ende kan vi hjælpe med at opnå præcisionsmedicin," sagde Wang. "For hver enkelt person kan de data, som enheden indsamler, analyseres gennem et personligt program, der giver dig de mest nyttige og mest effektive ting at gøre, hvilket giver en intervention i lukket kredsløb til at kontrollere dit helbred."

Til sidst er målet at skabe noget, der efterligner den menneskelige hjerne, ikke kun i mekaniske egenskaber, men også i den måde, den fungerer og fungerer på. "Samlet set har AI indtil nu mere været et datalogi forskningsområde," sagde Wang. "Men for os som materialeforskere arbejder vi på dette fra en anden vinkel."

Forskningen vises i Advanced Materials og Matter . + Udforsk yderligere

Strækbar computerenhed føles som hud – men analyserer sundhedsdata med hjerne-efterlignende kunstig intelligens