omvangrijk, zoemende en piepende ziekenhuiskamers tonen aan dat het bewaken van de gezondheidstoestand van een patiënt een ingrijpend en ongemakkelijk proces is, op zijn best, en een gevaarlijk proces, in het slechtste geval. Penn State-onderzoekers willen dat veranderen en biosensoren maken die gezondheidsmonitoring minder omvangrijk kunnen maken, nauwkeuriger en veel veiliger.

De sleutel zou zijn om sensoren te maken die zo rekbaar en flexibel zijn dat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd met het complex van het menselijk lichaam, veranderende contouren, zei Larry Cheng, de Dorothy Quiggle Professor in Engineering en een filiaal van het Institute for Computational and Data Sciences. Zijn lab boekt vooruitgang bij het ontwerpen van sensoren die precies dat kunnen.

Als biosensoren die zowel energiezuinig als rekbaar zijn op grote schaal kunnen worden gerealiseerd, de onderzoekers suggereren dat ingenieurs kunnen nastreven - en, in sommige gevallen, zijn al bezig - een reeks opties voor sensoren die op het lichaam kunnen worden gedragen, of zelfs in het lichaam geplaatst. De uitbetaling zou slimmer zijn, effectievere en meer gepersonaliseerde medische behandeling en betere gezondheidsbeslissingen - zonder veel omvangrijke, zoemende en piepende onderdelen van bewakingsapparatuur.

Enkele van de ideeën die onderzoekers van Penn State en de rest van de wereld onderzoeken, zijn rekbaar textiel dat biosensoren kan bevatten. Op papier gebaseerde sensoren kunnen mogelijk ook worden gebruikt om slimme verbanden te maken die de status van wonden kunnen volgen. Tijdelijke tatoeages kunnen zelfs biosensoren bevatten voor gezondheidsmonitoring. Bijvoorbeeld, een tatoeage met biosensor zou diabetespatiënten onmiddellijke schattingen van hun glucosespiegels kunnen geven.

De onderzoekers publiceerden onlangs hun analyse van de nieuwste ontwikkelingen in flexibele en rekbare biosensoren.

Meer rekenkracht

Een antenne die gegevens kan verzenden, is het belangrijkste element voor deze biosensor-ideeën, zei Cheng, die ook lid is van het Materials Research Institute in Penn State. Maar het kan geen gewone antenne zijn. Een antenne in het menselijk lichaam zou vereisen dat het niet alleen duurzaam is, bestand tegen de extreme omstandigheden van het lichaam, maar het moet ook rekbaar zijn, zodat het past bij de contouren van verschillende organen en weefsels in het lichaam.

Het maken van die rekbare antennes vereist complexe berekeningen om alle verschillende variaties te modelleren die het ontwerp van de sensoren kan hebben om de beste ontwerpen te bepalen. En dat betekent dat het ontwerpproces alleen al veel rekenkracht vereist, hij voegde toe.

"We onderzoeken veel verschillende patronen en ontwerpen wanneer we deze ideeën onderzoeken, maar dit kan meer parameters creëren, " zei Cheng. "Dit kan een probleem worden omdat het moeilijk is om het juiste ontwerp te vinden met alle verschillende parameters. Daarom hebben we meer rekenkracht nodig. Deze extra rekenkracht kan ons helpen met de verschillende parameters te spelen en het effect van elke parameter te achterhalen. Dan kunnen we uitzoeken hoe we ze kunnen optimaliseren."

Het team wil ook zien hoe mechanische en elektromagnetische eigenschappen veranderen als het apparaat van vorm verandert.

"We moeten de rekenkracht gebruiken om deze efficiënte antenne te ontwerpen die rekbaar kan zijn, maar, belangrijker, met deze rekbare antenne, we kunnen veel dingen doen, want als we de plaats willen krijgen waar deze sensoren gegevens verzenden, deze antenne is het belangrijkste element waar je niet omheen kunt, " hij zei.

En gewoon meer kracht

De volgende stap is het vinden van manieren om de sensoren van stroom te voorzien. Huidige batterijen kunnen te groot en te stijf zijn om een ​​sensor van stroom te voorzien die op of in een menselijk lichaam kan werken, zei Chen. Zijn lab onderzoekt nu nieuwe manieren om biosensoren van stroom te voorzien.

Hoewel we misschien denken dat we de sensor moeten aansluiten op een energiebron, Cheng zei dat we eigenlijk omringd zijn door natuurlijke en door mensen gemaakte energiebronnen, omgevingsenergie genoemd.

"Ons werk is nu ook gericht op het oogsten van de omgevingsenergie, die Wi-Fi kan omvatten - de 3-G, 4-G of 5-G, of zelfs magnetronbronnen, " zei Cheng. "Met omgevingsenergie, het is altijd aan, het maakt niet uit of je het gebruikt of niet, het is daar. Zelfs als je gaat slapen, het is daar. Als we die energie niet oogsten, het wordt gewoon verspild."

Het ontwerp van de onderzoekers vraagt ​​om een ​​rekbare gelijkrichtantenne, of rectenna, die elektromagnetische energie kan omzetten in gelijkstroom. Cheng zei dat hij het apparaat van stroom zou kunnen voorzien, of laad een batterij op als stroombron.

Omdat het apparaat toegang heeft tot een breder scala aan beschikbare energie, de eerste resultaten laten zien dat het ontwerp van de onderzoekers zo'n 10 tot 100 keer beter is dan bestaande modellen.

"Als we de energie maar op één frequentie zouden oogsten, het zal, natuurlijk, minimaliseren van de hoeveelheid energie die we kunnen gebruiken, maar door de energie te oogsten over een brede band rond het apparaat, het zal de efficiëntie verergeren, " zei Chen.

Toekomstige richtingen:pop-ups en organoïden

In de toekomst, Cheng zei dat zijn team zal blijven werken aan biosensoren, maar ze onderzoeken ook de mogelijke integratie van biosensoren met organoïden, die door mensen zijn ontwikkeld, orgaanspecifieke weefsels die zijn ontworpen om de functie van natuurlijke organen na te bootsen. Cheng zei dat organoïden kunnen worden gebruikt voor medische tests.

"Dierentests worden vrij vaak gebruikt in medisch onderzoek, maar testen in organoïden zou ons een veel ethischere optie geven, " hij zei.

Cheng voegde eraan toe dat het ontwerpen van materialen die driedimensionale vormen kunnen aannemen nog een ander gebied van toekomstig onderzoeksverkenning voor de groep is. Deze "pop-up"-ontwerpen kunnen als een plat oppervlak in een doelgebied worden ingevoegd, maar dan veranderen in een 3D-vorm. Deze zouden kunnen worden gebruikt in toekomstige toepassingen op gezondheids- en medisch gebied, onder andere.