Nová „elektronická kůže“ nepotřebuje dráty, čipy ani baterii

Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) učinili významný pokrok ve vývoji nové elektronické kůže, která potenciálně umožní dlouhodobé snímání koncentrace glukózy, krevního tlaku, srdeční frekvence a dalších hodnot. Nový design, který vědci publikovali v časopise Science, je nejen zcela bezdrátový, ale dokonce nevyžaduje ani baterii a vnitřní procesor.

Většina bezdrátových senzorů dnes využívá ke komunikaci vestavěné bluetooth čipy napájené malými bateriemi. Budoucnost si ale žádá mnohem více a v ještě „menším balení“.

Současné konvenční senzory se spoléhají na pevné součásti s integrovanými obvody, což spolu s potřebou značného množství energie limituje celkovou flexibilitu těchto zařízení. Inženýři z MIT proto vrhli veškeré své úsilí do vývoje takového senzoru, který by tyto limity dokázal odstranit. A podařilo se.

V časopise Science publikovali design nové bezdrátové, bezčipové a energeticky nenáročné elektronické kůže založené na senzorech povrchových akustických vln, pro jejichž výrobu využili ultratenké monokrystalické piezoelektrické membrány z nitridu galia. Tato elektronická kůže na bázi povrchových akustických vln umožňuje podle výzkumníků vysoce citlivé, nízkoenergetické, a přitom dlouhodobé snímání napětí, ultrafialového světla a koncentrací iontů v potu.

Stvoření nové e‑kůže

Nová elektronická kůže je v podstatě flexibilní polovodivý film, který je schopen se přizpůsobit pokožce podobně jako lepicí páska. Srdcem senzoru je vysoce kvalitní ultratenký film z nitridu galia, který je znám svými piezoelektrickými vlastnostmi. To znamená, že je při mechanickém namáhání schopen produkovat vlastní elektrické napětí a v reakci na elektrický impuls mechanicky vibrovat. Vědci z MIT zjistili, že mohou tyto obousměrné piezoelektrické vlastnosti nitridu galia využít a výsledný materiál použít jak pro snímání, tak i pro bezdrátovou komunikaci.

Jak vědci postupovali? Tým si nejprve vyrobil čisté, monokrystalické vzorky nitridu galia, které poté pro zesílení příchozích a odchozích elektrických signálů spároval s vodivou vrstvou zlata. Toto zařízení poté prokázalo dostatečnou citlivost, aby vibrovalo v reakci na tlukot srdce stejně jako na sůl v potu, a současně vibrace materiálu generovaly elektrický signál, jejž bylo možné přečíst blízkým přijímačem. To znamená, že zařízení bylo schopno získané informace bezdrátově přenášet, aniž by vyžadovalo čipy nebo baterie.

„Čipy potřebují hodně energie. Díky našemu zařízení může být velmi lehké, protože nepotřebuje žádné čipy ani baterie. Můžete si ho přiložit na tělo podobně jako obvaz, spárovat se svým mobilem a monitorovat svůj puls, pot a další biologické signály,“ uvedl ve zprávě MIT hlavní autor studie docent Jeehwan Kim.

Čistá rezonance

Kimův tým již dříve vyvinul techniku zvanou vzdálená epitaxe, kterou použil k rychlému růstu a odlupování vysoce kvalitních ultratenkých polovodičů z destiček potažených grafenem. Tato technika jim umožnila vyrobit a prozkoumat různé flexibilní a mul­ti­funk­ční elektronické filmy. Stejnou techniku využil tým i tentokrát při práci s nitridem galia, který je ve své čisté formě vysoce citlivým piezoelektrickým materiálem. Snahou vědců bylo využít čistý film nitridu galia jako senzor i komunikátor povrchových akustických vln, což jsou v podstatě vibrace napříč filmy. Vzory těchto vibrací mohou naznačovat srdeční frekvenci a velmi citlivě i přítomnost určitých sloučenin na kůži, tedy například již zmíněnou sůl v potu.

Předpoklad Kimova týmu byl, že senzor na bázi nitridu galia přilepený na kůži bude mít svou vlastní „rezonanční“ frekvenci. Tu pak piezoelektrický materiál dokáže přeměnit na elektrický signál, jehož frekvenci může zaregistrovat bezdrátový snímač. Jakákoli změna stavu pokožky by pak ovlivnila mechanické vibrace snímače a elektrický signál, který by automaticky přenášel do přijímače.

Očekává se široké využití

Jak už bylo částečně zmíněno – pro praktické otestování nápadu si vědci z MIT vyrobili tenký film čistého a vysoce kvalitního nitridu galia, který pro zesílení elektrického signálu spárovali s vrstvou zlata v mřížovité konfiguraci, která jinak tuhému kovu propůjčila potřebnou flexibilitu. Výsledný vzorek elektronické kůže z nitridu galia a zlata měřil pouhých 250 nanometrů. Byl tedy zhruba stokrát tenčí než lidský vlas. Vzorek pak výzkumníci umístili na zápěstí a krk dobrovolníků, přičemž k bezdrátové registraci frekvence zařízení použili jednoduchou anténu drženou poblíž. Ukázalo se, že zařízení bylo schopno snímat a bezdrátově přenášet změny v povrchových akustických vlnách nitridu galia související se srdeční frekvencí dobrovolníků. Vědci také spárovali zařízení s tenkou membránou snímající ionty sodíku, jehož koncentrace dokázalo zařízení spolehlivě monitorovat ve chvíli, kdy se dobrovolníci drželi tepelné podložky a začali se potit.

Tyto výsledky vědci z MIT považují za první krok k bezdrátovým senzorům bez čipů a očekávají, že jejich zařízení by bylo velmi snadno spárovatelné i s jinými selektivními membránami pro sledování dalších životně důležitých biomarkerů. Podle vědců z MIT jde tedy o potenciálně všestranný nástroj. V blízké budoucnosti by bylo možné detekovat prakticky jakýkoli cílový biomarker. Ať už by se jednalo například o glukózu, nebo třeba kortizol související s hladinou stresu atd.