Большинство беспроводных датчиков сегодня взаимодействуют через встроенные чипы Bluetooth, которые сами питаются от небольших батареек. Но эти обычные чипы и источники питания, скорее всего, будут слишком громоздкими для датчиков следующего поколения, которые приобретают меньшие, более тонкие и гибкие формы.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали новый вид носимого датчика, который взаимодействует по беспроводной сети, не требуя встроенных чипов или батарей. Их дизайн, подробно описанный сегодня в журнале Наука, открывает путь к беспроводным датчикам без чипов.

Конструкция сенсора команды представляет собой форму электронной кожи, или "e-skin" - гибкой полупроводниковой пленки, которая прилегает к коже подобно электронному скотчу. Сердцем датчика является ультратонкая высококачественная пленка из нитрида галлия, материала, который известен своими пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что он может как генерировать электрический сигнал в ответ на механическое напряжение, так и механически вибрировать в ответ на электрический импульс.

Исследователи обнаружили, что они могут использовать двухсторонние пьезоэлектрические свойства нитрида галлия и использовать материал одновременно как для зондирования, так и для беспроводной связи.

В своем новом исследовании команда создала чистые монокристаллические образцы нитрида галлия, которые они объединили с проводящим слоем золота, чтобы усилить любой входящий или исходящий электрический сигнал. Они показали, что устройство достаточно чувствительно, чтобы вибрировать в ответ на сердцебиение человека, а также на соль в его поту, и что вибрации материала генерируют электрический сигнал, который может быть считан ближайшим приемником. Таким образом, устройство смогло передавать сенсорную информацию по беспроводной сети без необходимости в чипе или батарее.

"Чипы требуют много энергии, но наше устройство может сделать систему очень легкой без использования каких-либо чипов, которые потребляют много энергии", - говорит автор исследования Джихван Ким, адъюнкт-профессор машиностроения и материаловедения и инженерии, а также главный исследователь в исследовательской лаборатории Электроника.

"Вы могли бы надеть его на свое тело, как повязку, и в паре с беспроводным считывателем на вашем мобильном телефоне вы могли бы по беспроводной сети отслеживать свой пульс, потоотделение и другие биологические сигналы".

В число соавторов Кима входят первый автор и бывший постдок Массачусетского технологического института Йонин Ким, который сейчас является доцентом Университета Цинциннати; соавтор-корреспондент Джиен Хан из корейской косметической компании AMOREPACIFIC, которая помогла мотивировать текущую работу; члены исследовательской группы Кима в Массачусетском технологическом институте; и другие сотрудники в Университет Вирджинии, Вашингтонский университет в Сент-Луисе и множество учреждений по всей Южной Корее.

Чистый резонанс

Группа Джихвана Кима ранее разработала метод, называемый дистанционной эпитаксией, который они использовали для быстрого выращивания и отделения ультратонких высококачественных полупроводников от пластин, покрытых графеном. Используя эту технику, они изготовили и исследовали различные гибкие, многофункциональные электронные пленки.

В своем новом исследовании инженеры использовали ту же технику для удаления ультратонких монокристаллических пленок нитрида галлия, который в чистом, бездефектном виде является высокочувствительным пьезоэлектрическим материалом.

Команда хотела использовать чистую пленку нитрида галлия как датчик и беспроводной коммуникатор поверхностных акустических волн, которые по сути являются колебаниями через пленки. Характер этих волн может указывать на частоту сердечных сокращений человека или, что еще более тонко, на присутствие определенных соединений на коже, таких как соль в поту.

Исследователи выдвинули гипотезу, что датчик на основе нитрида галлия, прикрепленный к коже, будет иметь свою собственную, "резонансную" вибрацию или частоту, которую пьезоэлектрический материал одновременно преобразует в электрический сигнал, частоту которого может зарегистрировать беспроводной приемник. Любое изменение состояния кожи, например, из-за учащенного сердцебиения, повлияет на механические вибрации датчика и электрический сигнал, который он автоматически передает на приемник.

"Если есть какие-либо изменения в пульсе, или химические вещества в поту, или даже воздействие ультрафиолета на кожу, вся эта активность может изменить характер поверхностных акустических волн на пленке нитрида галлия", - отмечает Енг Ким. "И чувствительность нашей пленки настолько высока, что она может обнаружить эти изменения".

Передача волны

Чтобы проверить свою идею, исследователи изготовили тонкую пленку из чистого высококачественного нитрида галлия и соединили ее со слоем золота, чтобы усилить электрический сигнал. Они нанесли золото в виде повторяющихся гантелей - решетчатой конфигурации, которая придавала некоторую гибкость обычно жесткому металлу. Нитрид галлия и золото, которые они считают образцом электронной кожи, имеют толщину всего 250 нанометров - примерно в 100 раз тоньше, чем ширина человеческого волоса.

Они надели новую электронную кожу на запястья и шеи добровольцев и использовали простую антенну, расположенную поблизости, для беспроводной регистрации частоты устройства без физического контакта с самим датчиком. Устройство было способно воспринимать и передавать по беспроводной сети изменения поверхностных акустических волн нитрида галлия на коже добровольцев, связанные с частотой их сердечных сокращений.

Команда также соединила устройство с тонкой ионочувствительной мембраной - материалом, который избирательно притягивает ион-мишень, в данном случае натрий. Благодаря этому усовершенствованию устройство могло распознавать и передавать по беспроводной сети изменение уровня натрия, когда доброволец держался за грелку и начинал потеть.

Исследователи рассматривают свои результаты как первый шаг к созданию беспроводных датчиков без чипов, и они предполагают, что текущее устройство может быть сопряжено с другими селективными мембранами для мониторинга других жизненно важных биомаркеров.

"Мы показали чувствительность к натрию, но если вы измените чувствительную мембрану, вы сможете обнаружить любой целевой биомаркер, такой как глюкоза или кортизол, связанный с уровнем стресса", - говорит соавтор и постдок Массачусетского технологического института Джун Мин Су. "Это довольно универсальная платформа".

Это исследование было поддержано AMOREPACIFIC.