Ingeniører fremstiller et chipfrit, trådløst elektronisk skin

Bærbare sensorer er allestedsnærværende takket være trådløs teknologi, der gør det muligt at overføre en persons glukosekoncentrationer, blodtryk, hjertefrekvens og aktivitetsniveau problemfrit fra sensor til smartphone til yderligere analyse.

De fleste trådløse sensorer kommunikerer i dag via indlejrede Bluetooth-chips, der selv er drevet af små batterier. Men disse konventionelle chips og strømkilder vil sandsynligvis være for omfangsrige til næste generations sensorer, som antager mindre, tyndere og mere fleksible former.

Nu har MIT-ingeniører udtænkt en ny slags bærbar sensor, der kommunikerer trådløst uden at kræve indbyggede chips eller batterier. Deres design, detaljeret i tidsskriftet Science , åbner en vej mod chipfri trådløse sensorer.

Holdets sensordesign er en form for elektronisk hud eller "e-skin" - en fleksibel, halvledende film, der tilpasser sig huden som elektronisk Scotch tape. Hjertet i sensoren er en ultratynd højkvalitetsfilm af galliumnitrid, et materiale, der er kendt for sine piezoelektriske egenskaber, hvilket betyder, at det både kan producere et elektrisk signal som reaktion på mekanisk belastning og mekanisk vibrere som svar på en elektrisk impuls .

Forskerne fandt ud af, at de kunne udnytte galliumnitrids tovejs piezoelektriske egenskaber og bruge materialet samtidigt til både sansning og trådløs kommunikation.

I deres nye undersøgelse producerede holdet rene, enkeltkrystallinske prøver af galliumnitrid, som de parrede med et ledende lag af guld for at øge ethvert indkommende eller udgående elektrisk signal. De viste, at enheden var følsom nok til at vibrere som reaktion på en persons hjerteslag, såvel som saltet i sveden, og at materialets vibrationer genererede et elektrisk signal, som kunne aflæses af en nærliggende modtager. På denne måde var enheden i stand til trådløst at transmittere sanseinformation uden behov for en chip eller batteri.

"Chips kræver meget strøm, men vores enhed kunne gøre et system meget let uden at have nogen chips, der er strømkrævende," siger undersøgelsens tilsvarende forfatter, Jeehwan Kim, lektor i maskinteknik og i materialevidenskab og -teknik, og en hovedefterforsker i Research Laboratory of Electronics.

"Du kan lægge det på din krop som en bandage, og parret med en trådløs læser på din mobiltelefon, kan du trådløst overvåge din puls, sved og andre biologiske signaler."

Kims medforfattere inkluderer førsteforfatter og tidligere MIT postdoc Yeongin Kim, som nu er assisterende professor ved University of Cincinnati; medkorresponderende forfatter Jiyeon Han fra det koreanske kosmetikfirma AMOREPACIFIC, som hjalp med at motivere det nuværende arbejde; medlemmer af Kim Research Group ved MIT; og andre samarbejdspartnere ved University of Virginia, Washington University i St. Louis og flere institutioner i hele Sydkorea.

Ren resonans

Jeehwan Kims gruppe har tidligere udviklet en teknik, kaldet remote epitaxy, som de har brugt til hurtigt at vokse og skrælle ultratynde højkvalitets halvledere væk fra wafers belagt med grafen. Ved hjælp af denne teknik har de fremstillet og udforsket forskellige fleksible, multifunktionelle elektroniske film.

I deres nye undersøgelse brugte ingeniørerne den samme teknik til at skrælle ultratynde enkeltkrystallinske film af galliumnitrid væk, som i sin rene, fejlfri form er et meget følsomt piezoelektrisk materiale.

Holdet så ud til at bruge en ren film af galliumnitrid som både en sensor og en trådløs kommunikator af akustiske overfladebølger, som i det væsentlige er vibrationer på tværs af filmene. Mønstrene af disse bølger kan indikere en persons hjertefrekvens, eller endnu mere subtilt, tilstedeværelsen af ​​visse forbindelser på huden, såsom salt i sved.

Forskerne antog, at en galliumnitrid-baseret sensor, klæbet til huden, ville have sin egen iboende, "resonante" vibration eller frekvens, som det piezoelektriske materiale samtidig ville konvertere til et elektrisk signal, hvis frekvens en trådløs modtager kunne registrere. Enhver ændring af hudens forhold, såsom fra en accelereret hjertefrekvens, vil påvirke sensorens mekaniske vibrationer og det elektriske signal, som den automatisk sender til modtageren.

"Hvis der er nogen ændring i pulsen, eller kemikalier i sved, eller endda ultraviolet eksponering for hud, kan al denne aktivitet ændre mønsteret af overfladeakustiske bølger på galliumnitridfilmen," bemærker Yeongin Kim. "Og følsomheden af ​​vores film er så høj, at den kan registrere disse ændringer."

Bølgetransmission

For at teste deres idé producerede forskerne en tynd film af ren, højkvalitets galliumnitrid og parrede den med et lag guld for at booste det elektriske signal. De deponerede guldet i mønsteret af gentagne håndvægte - en gitterlignende konfiguration, der bidrog en vis fleksibilitet til det normalt stive metal. Galliumnitrid og guld, som de anser for at være en prøve af elektronisk hud, måler kun 250 nanometer tykt - omkring 100 gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår.

De placerede den nye e-skin på frivilliges håndled og nakke og brugte en simpel antenne, holdt i nærheden, til trådløst at registrere enhedens frekvens uden fysisk at komme i kontakt med selve sensoren. Enheden var i stand til at registrere og trådløst transmittere ændringer i de akustiske overfladebølger af galliumnitrid på frivilliges hud relateret til deres hjertefrekvens.

Holdet parrede også enheden med en tynd ion-følende membran - et materiale, der selektivt tiltrækker en målion, og i dette tilfælde natrium. Med denne forbedring kunne enheden registrere og trådløst transmittere skiftende natriumniveauer, når en frivillig holdt fast i en varmepude og begyndte at svede.

Forskerne ser deres resultater som et første skridt mod chip-fri trådløse sensorer, og de forestiller sig, at den nuværende enhed kan parres med andre selektive membraner for at overvåge andre vitale biomarkører.

"Vi viste natrium sensing, men hvis du ændrer sensing membranen, kan du opdage enhver målbiomarkør, såsom glukose eller kortisol relateret til stressniveauer," siger medforfatter og MIT postdoc Jun Min Suh. "Det er en ganske alsidig platform." + Udforsk yderligere

Udvikling af højtydende, højspændingsbærbare forskydningssensorer