ابداع یک پوست الکترونیکی بدون تراشه و بی‌سیم برای نظارت بر سلامتی

مهندسان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) در یک پیشرفت مهم، نوع جدیدی از حسگرهای بی‌سیم پوشیدنی شبیه به پوست را برای نظارت بر سلامتی توسعه داده‌اند که به باتری یا پردازنده داخلی نیازی ندارد.

بر اساس بیانیه مطبوعاتی منتشر شده توسط این تیم تحقیقاتی، طراحی این حسگر، شکلی از "پوست الکترونیکی" است که شامل یک نوار نیمه رسانای انعطاف‌پذیر است که روی پوست می‌چسبد.

"یئونگین کیم" نویسنده ارشد این مطالعه گفت: اگر تغییری در نبض یا مواد شیمیایی در عرق یا حتی قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش در پوست وجود داشته باشد، همه این فعالیت‌ها می‌توانند الگوی امواج صوتی سطحی روی لایه "گالیوم نیترید" در این حسگر را تغییر دهند و حساسیت حسگر ما آنقدر زیاد است که می‌تواند این تغییرات را به خوبی تشخیص دهد.

فناوری بی‌سیم این امکان را فراهم می‌کند که فشار خون، ضربان قلب، سطح گلوکز و سطح فعالیت افراد به راحتی از حسگر به تلفن هوشمند برای تجزیه و تحلیل بیشتر منتقل شود و حسگرهای پوشیدنی را بسیار رایج می‌کند.

اغلب حسگرهای بی‌سیم در حال حاضر با استفاده از تراشه‌های بلوتوثی تعبیه شده که توسط باتری‌های کوچک تغذیه می‌شوند، ارتباط برقرار می‌کنند. اما این حسگر جدید چگونه کار می‌کند؟

گالیوم نیترید، ماده‌ای که به دلیل قابلیت‌های پیزوالکتریک خود شناخته شده است که به آن اجازه می‌دهد در واکنش به فشار مکانیکی، سیگنال الکتریکی منتشر کند و در پاسخ به یک ضربه الکتریکی به صورت مکانیکی ارتعاش کند، هسته این حسگر را به شکل یک نوار فوق‌العاده نازک و با کیفیت بالا تشکیل می‌دهد.

محققان دریافتند که می‌توانند از ویژگی‌های پیزوالکتریک دو طرفه گالیوم نیترید برای سنجش و انتقال بی‌سیم به طور همزمان استفاده کنند.

دانشمندان نمونه‌های خالص و تک بلوری از گالیوم نیترید را ایجاد کردند و آنها را با یک لایه رسانای طلا ترکیب کردند تا هرگونه سیگنال الکتریکی ورودی یا خروجی را تقویت کنند.

محققان نشان دادند که این ماده می‌تواند در واکنش به ضربان قلب فرد و نمک موجود در عرق او مرتعش شود و این ارتعاشات یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند که می‌تواند توسط یک گیرنده‌ی نزدیک، تفسیر شود. این به دستگاه اجازه می‌دهد تا داده‌های حسگر را بدون تراشه یا باتری به صورت بی‌سیم منتقل کند.

"جیوان کیم" استادیار مهندسی مکانیک در MIT و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: تراشه‌ها به قدرت زیادی نیاز دارند، اما دستگاه ما می‌تواند یک سیستم را بدون داشتن تراشه‌های تشنه‌ی انرژی بسیار سبک کند.

وی افزود: می‌توانید آن را مانند یک بانداژ روی بدن خود قرار دهید و با یک دریافت کننده بی‌سیم روی تلفن همراهتان می‌توانید به‌صورت بی‌سیم نبض، عرق و سایر سیگنال‌های بیولوژیکی خود را کنترل کنید.

  پوست الکترونیکی "همه کاره"

در جدیدترین کار مهندسان با استفاده از روش قدیمی "کیم"، یک ماده پیزوالکتریک بسیار حساس در حالت خالص و بدون نقص، از ورقه‌های تک بلوری بسیار نازک جدا شد. یک ماده پیزوالکتریک همزمان با ارتعاش یا فرکانس ذاتی و رزونانسی حسگر مبتنی بر گالیوم نیترید را که به پوست متصل شده است، به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که یک گیرنده بی‌سیم فرکانس آن را تشخیص می‌دهد.

سیگنال الکتریکی که حسگر به طور خودکار به گیرنده می‌دهد، در صورت تغییر شرایط پوست، مانند ضربان تند قلب تغییر می‌کند.

دانشمندان یک پوشش کوچک از گالیوم نیترید خالص را با کیفیت بالا ایجاد کردند. آنها گالیوم نیترید و طلا را به عنوان نمونه‌ای از این پوست الکترونیکی توسعه دادند که ضخامت آن تنها 250 نانومتر یا تقریباً 100 برابر نازک‌تر از ضخامت یک تار موی انسان است.

آنها این پوست الکترونیکی جدید را به مچ و گردن داوطلبان بستند و از آنتن کوچکی که نزدیک آنها نگه داشته شده بود، استفاده کردند تا فرکانس حسگر را به صورت بی‌سیم و بدون لمس کردن خود حسگر ثبت کنند.

این دستگاه می‌تواند به صورت بی‌سیم، تغییرات امواج صوتی سطحی گالیوم نیترید روی پوست شرکت کنندگان را که با ضربان قلب آنها مرتبط است، شناسایی کند و انتقال دهد.

به گفته محققان، این یافته‌ها اولین قدم به سوی توسعه حسگرهای بی‌سیم بدون تراشه است. آنها همچنین معتقدند که فناوری فعلی ممکن است همراه با غشاهای انتخابی دیگر برای ردیابی شاخص‌های مهم اضافی مورد استفاده قرار گیرد.

"جون مین سو" یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: ما حسگر سدیم را مورد استفاده قرار دادیم، اما اگر غشای حسگر را تغییر دهید، می‌توانید هر زیست‌نشانگر هدف، مانند گلوکز یا کورتیزول مرتبط با سطح استرس را شناسایی کنید.

وی افزود: در واقع این یک پلتفرم همه کاره است.

این مطالعه در مجله ساینس(Science) منتشر شده است.