Huidachtige elektronica zou naadloos kunnen integreren met het lichaam voor toepassingen in gezondheidsmonitoring, medicatietherapie, implanteerbare medische apparaten en biologische studies.

Met de hulp van het Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation heeft Sihong Wang, een assistent-professor moleculaire engineering aan de Pritzker School of Molecular Engineering van de University of Chicago, patenten verkregen voor de bouwstenen van deze nieuwe apparaten.

Gebaseerd op innovatie op het gebied van halfgeleiderfysica, vaste mechanica en energiewetenschappen, omvat dit werk de creatie van rekbare polymere halfgeleiders en transistorarrays, die uitzonderlijke elektrische prestaties, hoge halfgeleidende eigenschappen en mechanische rekbaarheid bieden. Daarnaast heeft Wang tribo-elektrische nanogeneratoren ontwikkeld als een nieuwe technologie voor het oogsten van energie uit de beweging van een gebruiker - en het bijbehorende energieopslagproces ontworpen.

Het doel is om deze vooruitgang te combineren om apparaten te ontwikkelen die op de huid van een gebruiker of in het lichaam kunnen worden geplakt om vitale signalen in realtime "veel effectiever" te detecteren dan de momenteel beschikbare opties, zei Wang, eraan toevoegend dat dit werk een van de beste is geweest. snelst vooruitstrevende gebieden in materiaalkunde en elektronische engineering.

"In het afgelopen decennium heeft deze algemene richting van het ontwikkelen van elektronica die nauwer kan samenwerken met het menselijk lichaam echt veel aandacht getrokken van de academische wereld en de industrie", zei Wang. "Omdat mensen de grote kloof en ook de grote kans hier hebben gezien om op een meer intieme manier de elektronica te hebben die voor het menselijk lichaam werkt."

Wang grijpt deze kans en neemt zijn onderzoek in verschillende richtingen. "We hebben een nieuwe structuur gecreëerd en een patent aangevraagd via Polsky op basis van onze ontwikkelingen voor een nieuw type druksensor, die zich kan uitrekken als de huid, maar geen prestatieverandering heeft", legt Wang uit.

In samenwerking met collega's Stacy Lindau, MD, MA, hoogleraar verloskunde en gynaecologie en geneeskunde-geriatrie en directeur van een onderzoekslaboratorium in de afdeling Biologische Wetenschappen, en Sliman Bensmaia, James en Karen Frank Family Professor of Organismal Biology and Anatomy, Wang is deze sensor gebruiken om een ​​neuraal-prothetisch systeem te creëren dat onder de huid van borstamputatiepatiënten zou worden geïmplanteerd. Het Bionic Breast Project genaamd, het doel is om het gevoel in het borstgebied te herstellen.

"Dergelijke sensoren kunnen op dezelfde manier werken als de sensorreceptoren in de borst voor het detecteren van fysiek contact / beweging, door het om te zetten in een elektrisch signaal", zei Wang.

Deze sensoren kunnen ook worden gebruikt om de zogenaamde elektronische huid voor zachte robotica te ontwikkelen, waardoor ze op nieuwe manieren kunnen voelen en waarnemen. In de komende vijf jaar zei Wang echter dat hij verwacht dat de meest directe toepassingen van dit werk zullen zijn voor een apparaat dat verschillende soorten signalen uit het lichaam haalt, zoals hartslag en bloeddruk. En dat doen ze precies.

Vooruitkijkend is het doel om signalen van verschillende biomarkers in zweet te detecteren.

"In de huidige medische praktijk is de enige manier om een ​​panel van biochemische informatie te krijgen door middel van een bloedtest, die niet alleen invasief is, maar ook niet onmiddellijk," merkte Wang op. "Dit zou opnieuw een grote game-wisselaar zijn voor de manier waarop iedereen op een veel effectievere en frequentere manier zijn gezondheidsstatus kan krijgen." Wang publiceerde onlangs de eerste twee werken waarin de strategie wordt geschetst om rekbare biosensoren met een hoge gevoeligheid en selectiviteit te bereiken.

Rekbare displays en gegevensverwerking op het lichaam met AI

Een ander cruciaal onderdeel van skin-achtige apparaten is een flexibel display om met gebruikers te communiceren. Hiervoor hebben Wang en zijn groep een ander belangrijk nieuw type materiaal ontwikkeld:elektroluminescente polymeren. Zeer efficiënt, het polymeer straalt helder licht uit en behoudt de prestaties terwijl het wordt uitgerekt.

Om het werk af te ronden, onderzoekt het team ook de combinatie van de apparaten met kunstmatige intelligentie (AI).

"We denken aan de toekomst, het succes van draagbare apparaten zal liggen in hun vermogen om continu gezondheidsinformatie uit het menselijk lichaam te extraheren en te controleren", zei Wang. "Dan zullen de gegenereerde gegevens echt 'big data' zijn vergeleken met nu, met alleen momentopnamen van een testrapport."

Zoals bij alle datasets, is de volgende vraag hoe je op een effectieve en snelle manier bruikbare gezondheidsinformatie kunt analyseren en extraheren.

"We proberen een nieuw type computerapparaat en -platform te ontwikkelen dat AI of machine learning-algoritmen echt efficiënt rechtstreeks op de huid of op het lichaam kan implementeren zonder afhankelijk te zijn van het draadloos verplaatsen of verzenden van informatie naar een centrale computerlocatie, zoals de cloud," legde Wang uit. "Analyse kan veel sneller zijn en je loopt niet het risico om zeer persoonlijke gezondheidsinformatie te verliezen van die draadloze transmissies."

Het op halfgeleiders gebaseerde computerplatform is een 'neurale netwerkcomputer', geïnspireerd door hoe de hersenen werken.

"Uiteindelijk kunnen we helpen bij het bereiken van precisiegeneeskunde", zei Wang. "Voor elk individu kunnen de gegevens die het apparaat verzamelt, worden geanalyseerd via een persoonlijk programma dat u de nuttigste en meest effectieve dingen geeft om te doen, en een gesloten-lusinterventie biedt om uw gezondheid onder controle te houden."

Uiteindelijk is het doel om iets te creëren dat het menselijk brein nabootst, niet alleen in mechanische eigenschappen, maar ook in de manier waarop het functioneert en werkt. "Over het algemeen was AI tot nu toe meer een onderzoeksterrein voor computerwetenschappelijk onderzoek", zei Wang. "Maar voor ons als materiaalwetenschappers werken we hier vanuit een andere hoek aan."

Het onderzoek verschijnt in Advanced Materials en Maakt uit . + Verder verkennen

Rekbaar computerapparaat voelt aan als huid, maar analyseert gezondheidsgegevens met kunstmatige intelligentie die de hersenen nabootst