لا تحتاج الأوشام النانوية الجديدة إلى بطاريات أو أسلاك

ابتكر باحثون في مؤسستين في إسطنبول وشمًا نانويًا قادرًا على إجراء اتصالات لاسلكية سلبية مع الأجهزة القريبة ، دون الحاجة إلى مصادر طاقة خارجية مثل البطاريات. يمكن أن يؤدي هذا التقدم إلى العديد من تقنيات الاستشعار الحيوي التي تم إعاقتها حتى الآن من خلال الاعتماد على مصدر طاقة خارجي ضخم أو اتصالات سلكية.

تم تطوير وشم مستشعر الوشم النانوي القائم على التشتت الخلفي من قبل كريستين دي بيلكاسترو ، محاضر في جامعة يديتيب ، وأونور إيرجين ، نائب رئيس البحث والتطوير في قسم الإلكترونيات والاتصالات بجامعة إسطنبول التقنية. يتكون الوشم من حبرين – حبر أكسيد الزنك يحتوي على أسلاك متناهية الصغر فوق حبر موصّل للهواء الجرافين. يتم طلاء الحبرين على الجلد في وقت واحد عبر إبر منفصلة. يقول إيرجين إن هناك أيضًا بعض الهلام الهوائي في الحبر الذي يحتوي على الأسلاك النانوية ، وإن كان بنسبة أقل من تلك الموجودة في الطبقة السفلية ، ونتيجة لذلك ، يترابط الحبران عند التلامس.

تعتمد الاتصالات اللاسلكية للأجهزة على إنشاء إشارات كهربائية من نشاط كهرضغطية ، أصبح ممكنًا لأن الوشم يغير شكله ، مما يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. تستخدم البنية التحتية للشبكات اللاسلكية الخاصة بالوشم هاتفًا ذكيًا لترتد الإشارات من الوشم وتلقي البيانات ، باستخدام مودم عريض النطاق كجهاز مساعد. في عمل الباحثين المنشور مؤخرًا في رسائل جهاز IEEE الإلكتروني ، قام النظام بتحليل نطاق الحركة. ومع ذلك ، قال إيرجن إن هناك العديد من حالات الاستخدام التي يستكشفونها.

الحبر المستخدم للوشم النانوي هو في الواقع حبران في واحد – طبقة سفلية تحتوي على الجرافين (أسود) وطبقة عليا بها أسلاك متناهية الصغر (بيضاء).جامعة اسطنبول التقنية / IEEE

كتب الباحثون في ورقتهم: “عندما تستقبل العلامة المرسومة إشارات تردد الراديو (RF) ، فإنها تعكس بعض الإشارات لإنشاء ارتباط علوي مع قارئ الهواتف الذكية بينما ينشئ الهاتف الذكي ارتباطًا هابطاً مع العلامة”. “من خلال روابط الاتصال هذه ، يمكن للهاتف الذكي مراقبة BNTS باستمرار ومعالجة المعلومات باستخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي.”

قال إيرجن إن نهج الاتصالات ، المسمى بالتشتت الخلفي المحيط ، يشبه RFID ، لكنه لا يعتمد على عدد محدود من الترددات المسموح بها. لقد تلقوا بنجاح معلومات من الوشم باستخدام مودم عريض النطاق بسرعة 900 ميجا هرتز و 2.45 جيجا هرتز.

يشبه الجهاز الذي ابتكره Belcastro و Ergen من حيث المبدأ مع الأوشام الإلكترونية الأخرى ، وقال المخترع المشارك لأحد هذه الأوشام إن رابط الاتصالات اللاسلكية مقنع.

يقول ديمتري كيريف ، الأستاذ المساعد القادم للهندسة الطبية الحيوية بجامعة ماساتشوستس – أمهيرست: “إن وجود وشم لاسلكي سلبي لا يزال بإمكانك الوصول إلى المعلومات منه هو المفتاح هنا – الذي لفت انتباهي”. بصفته باحثًا مشاركًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة تكساس ، شارك كيريف في إنشاء وشم غرافين يمكنه قياس ضغط الدم بدقة. على الرغم من رقة ومرونة الوشم ، قال كيريف إن الوصلات السلكية التي يتطلبها الوشم حاليًا تشكل عقبة كبيرة أمام إنشاء جهاز مناسب حقًا.

قال كيريف: “التحدي في كل ما كنا نعمل على أنفسنا هو الترابط ، وإذا كان هناك نهج للقيام بهذا الاتصال لاسلكيًا بالكامل ، فما الذي يقومون به هنا ، فهو مفهوم مثير جدًا للاهتمام.”

وقال كيريف أيضًا إن الجهاز الجديد متعدد الطبقات قد يساعد في تطوير مجموعة أبحاث الاتصالات حول أجهزة الاستشعار الحيوية للجرافين ، والتي تحظى بشعبية كبيرة في المختبرات.

قال “الجرافين يصنع هوائيًا رهيبًا”. إنها طبقة واحدة – ليست موصلة بدرجة كافية. يمكنك صنع نسخة أكثر سمكًا ، أو عشرات الطبقات أو مئات الطبقات ، لكن بعد ذلك لم يعد الجرافين حقًا. إنه نوع من الجرافيت. “

شارك نيكولاس إكس ويليامز ، نائب رئيس التكنولوجيا وتطوير المنتجات في شركة X-Cor Therapeutics الناشئة للأجهزة ، في إنشاء فيلم إلكتروني رقيق مشابه لجهاز Belcastro وجهاز Ergen عندما كان طالب دراسات عليا في جامعة Duke. خلقت كلتا الطريقتين دوائر وظيفية مباشرة على الجلد بدلاً من الاعتماد على المستشعرات المطبوعة مسبقًا ، وقال ويليامز إن ذلك يمكن أن يجلب التخصيص المستقبلي لسوق المستشعرات.

يقول ويليامز: “هناك العديد من حالات الاستخدام ، وإذا قمت بتصنيعها بشكل تقليدي ، فستحتاج إلى جهاز استشعار ومسار مختلفين لإنشاء شيء للطب الرياضي على عكس نظام الطب الحيوي أو للبالغين مقابل الأطفال”. “إذا كانت لديك أنظمة مطبوعة ، فيمكنك إنشاء ملف مخصص لحالة الاستخدام التي تحتاجها ، وهذا يوسع الإمكانات دون الحاجة إلى مستودعات مليئة بأجهزة الاستشعار لمختلف عوامل الشكل والأحجام والاستخدامات المقصودة.”

المزيد من إمكانيات الرعاية الصحية وما بعدها

يقول إيرجن إن بحثه عن الوشم يتوسع ليشمل جوانب أخرى من الرعاية الصحية. يتمثل أحد التحقيقات الحالية في كيفية استخدام الوشم كمستشعرات EEG لاسلكية. وعلى الرغم من أن الإصدار الحالي يستخدم ثني جزء من الجسم لتوليد الطاقة اللازمة لتلقي إشارة محيطة ، إلا أن إرجين قال إن الأساليب الأخرى قد تنجح أيضًا. على سبيل المثال ، اكتشف Ergen وباحثون آخرون سابقًا استخدام مستشعرات العرق لجمع البيانات.

“ومع ذلك ، فإن عملنا الأخير ، والذي لم يُنشر بعد ، يتيح تحليل العرق واللعاب دون الحاجة إلى بطارية ، باستخدام تقنية التشتت الخلفي” ، كما يقول. “نتوقع نشر هذا العمل في غضون الأشهر القليلة المقبلة.”

تعد أجهزة الاستشعار الحيوي جزءًا واحدًا من مجموعة أبحاث أكبر تتوسع إلى ما هو أبعد من الرعاية الصحية لشركة Ergen ، الذي تلقى مؤخرًا منحة قدرها 1.4 مليون يورو من مجلس البحوث الأوروبي لاستكشاف إعادة تصميم البطاريات من خلال هندسة الإلكترون الكمومي. حتى الوشم ، الذي ظل مستقرًا لأكثر من أربعة أشهر مع تغليف إضافي للبوليمر ، يمكن نشره في أي سيناريو يكون فيه الاتصال اللاسلكي مطلوبًا.

قال إرجين: “يمكن استخدام أي سطح لهذا ، فهو لا يقتصر على جسم الإنسان”. “يمكنك وضعها في أي مكان — السيارات ، على سبيل المثال ، في الأماكن التي يصعب الوصول إليها للتشخيص. جميع السيارات الجديدة لديها شبكات لاسلكية. يمكنك رسم هذه في مكان ما والحصول على البيانات. يمكنك الوصول إلى أي مكان. إذا قمت بطلاء مقعدك باستخدام المستشعر الخاص بنا ، يمكنك الحصول باستمرار على معلومات حول وضع جلوسك. يمكنك توقع ما إذا كان أحد الأجزاء مكسورًا لأنه يبدأ في منحك إشارة غريبة “.