Draagbare sensoren zijn alomtegenwoordig dankzij draadloze technologie waarmee de glucoseconcentraties, bloeddruk, hartslag en activiteitsniveaus van een persoon naadloos van de sensor naar de smartphone kunnen worden verzonden voor verdere analyse.

De meeste draadloze sensoren communiceren tegenwoordig via ingebouwde Bluetooth-chips die zelf worden gevoed door kleine batterijen. Maar deze conventionele chips en stroombronnen zullen waarschijnlijk te omvangrijk zijn voor sensoren van de volgende generatie, die kleinere, dunnere en flexibelere vormen aannemen.

Nu hebben MIT-ingenieurs een nieuw soort draagbare sensor bedacht die draadloos communiceert zonder dat er chips of batterijen aan boord nodig zijn. Hun ontwerp, gedetailleerd in het tijdschrift Science , opent de weg naar chipvrije draadloze sensoren.

Het sensorontwerp van het team is een vorm van elektronische huid, of "e-skin" - een flexibele, halfgeleidende film die zich aan de huid aanpast als elektronische plakband. Het hart van de sensor is een ultradunne, hoogwaardige film van galliumnitride, een materiaal dat bekend staat om zijn piëzo-elektrische eigenschappen, wat betekent dat het zowel een elektrisch signaal kan produceren als reactie op mechanische belasting en mechanisch kan trillen als reactie op een elektrische impuls .

De onderzoekers ontdekten dat ze de tweerichtings piëzo-elektrische eigenschappen van galliumnitride konden benutten en het materiaal tegelijkertijd konden gebruiken voor zowel detectie als draadloze communicatie.

In hun nieuwe onderzoek produceerde het team zuivere, enkelkristallijne monsters van galliumnitride, die ze combineerden met een geleidende laag goud om elk inkomend of uitgaand elektrisch signaal te versterken. Ze toonden aan dat het apparaat gevoelig genoeg was om te trillen als reactie op de hartslag van een persoon, evenals het zout in hun zweet, en dat de trillingen van het materiaal een elektrisch signaal genereerden dat door een nabijgelegen ontvanger kon worden gelezen. Op deze manier kon het apparaat draadloos detectiegegevens verzenden, zonder dat er een chip of batterij nodig was.

"Chips hebben veel stroom nodig, maar ons apparaat zou een systeem heel licht kunnen maken zonder chips die veel stroom verbruiken", zegt de corresponderende auteur van het onderzoek, Jeehwan Kim, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde en techniek. en een hoofdonderzoeker in het Research Laboratory of Electronics.

"Je zou het als een verband om je lichaam kunnen doen, en in combinatie met een draadloze lezer op je mobiel, zou je draadloos je hartslag, zweet en andere biologische signalen kunnen volgen."

Kim's co-auteurs zijn onder meer eerste auteur en voormalig MIT-postdoc Yeongin Kim, die nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Cincinnati; co-corresponderende auteur Jiyeon Han van het Koreaanse cosmeticabedrijf AMOREPACIFIC, die hielp bij het motiveren van het huidige werk; leden van de Kim Research Group aan het MIT; en andere medewerkers aan de Universiteit van Virginia, de Washington University in St. Louis en meerdere instellingen in Zuid-Korea.

Pure resonantie

De groep van Jeehwan Kim ontwikkelde eerder een techniek, epitaxie op afstand genaamd, die ze hebben gebruikt om ultradunne, hoogwaardige halfgeleiders snel te laten groeien en af ​​te pellen van met grafeen bedekte wafels. Met behulp van deze techniek hebben ze verschillende flexibele, multifunctionele elektronische films gefabriceerd en onderzocht.

In hun nieuwe onderzoek gebruikten de ingenieurs dezelfde techniek om ultradunne eenkristallijne films van galliumnitride weg te pellen, dat in zijn pure, defectvrije vorm een ​​zeer gevoelig piëzo-elektrisch materiaal is.

Het team wilde een pure film van galliumnitride gebruiken als zowel een sensor als een draadloze communicator van akoestische oppervlaktegolven, die in wezen trillingen over de films zijn. De patronen van deze golven kunnen de hartslag van een persoon aangeven, of zelfs subtieler, de aanwezigheid van bepaalde verbindingen op de huid, zoals zout in zweet.

De onderzoekers veronderstelden dat een op galliumnitride gebaseerde sensor, gehecht aan de huid, zijn eigen inherente, "resonante" vibratie of frequentie zou hebben die het piëzo-elektrische materiaal tegelijkertijd zou omzetten in een elektrisch signaal, waarvan de frequentie een draadloze ontvanger zou kunnen registreren. Elke verandering in de conditie van de huid, zoals een versnelde hartslag, zou de mechanische trillingen van de sensor en het elektrische signaal dat het automatisch naar de ontvanger verzendt, beïnvloeden.

"Als er een verandering is in de hartslag, of chemicaliën in zweet, of zelfs blootstelling aan ultraviolette straling van de huid, kan al deze activiteit het patroon van akoestische oppervlaktegolven op de galliumnitridefilm veranderen", merkt Yeongin Kim op. "En de gevoeligheid van onze film is zo hoog dat hij deze veranderingen kan detecteren."

Golftransmissie

Om hun idee te testen, produceerden de onderzoekers een dunne film van pure, hoogwaardige galliumnitride en combineerden deze met een laag goud om het elektrische signaal te versterken. Ze deponeerden het goud in het patroon van herhalende halters - een roosterachtige configuratie die het normaal stijve metaal enige flexibiliteit gaf. Het galliumnitride en goud, dat zij beschouwen als een staal van elektronische huid, is slechts 250 nanometer dik, ongeveer 100 keer dunner dan de breedte van een mensenhaar.

Ze plaatsten de nieuwe e-skin op de polsen en nek van vrijwilligers en gebruikten een eenvoudige antenne, die in de buurt werd gehouden, om de frequentie van het apparaat draadloos te registreren zonder fysiek contact met de sensor zelf. Het apparaat was in staat om veranderingen in de akoestische oppervlaktegolven van galliumnitride op de huid van vrijwilligers in verband met hun hartslag waar te nemen en draadloos door te geven.

Het team koppelde het apparaat ook aan een dun ion-detecterend membraan - een materiaal dat selectief een doelion aantrekt, en in dit geval natrium. Met deze verbetering kon het apparaat veranderende natriumniveaus detecteren en draadloos verzenden terwijl een vrijwilliger een warmtekussen vasthield en begon te zweten.

De onderzoekers zien hun resultaten als een eerste stap in de richting van chipvrije draadloze sensoren, en ze stellen zich voor dat het huidige apparaat kan worden gekoppeld aan andere selectieve membranen om andere vitale biomarkers te bewaken.

"We toonden natriumdetectie, maar als je het sensormembraan verandert, zou je elke doelbiomarker kunnen detecteren, zoals glucose of cortisol gerelateerd aan stressniveaus", zegt co-auteur en MIT-postdoc Jun Min Suh. "Het is een vrij veelzijdig platform." + Verder verkennen

Ontwikkeling van hoogwaardige, draagbare verplaatsingssensoren met hoge spanning