Пишу в Природная электроника Исследовательская группа описывает новый подход к созданию сети беспроводной связи, которая может эффективно передавать, принимать и декодировать данные с тысяч микроэлектронных чипов, каждый из которых размером не больше крупинки соли.

Сенсорная сеть спроектирована таким образом, что чипы могут быть имплантированы в тело или интегрированы в носимые устройства. Каждый кремниевый датчик субмиллиметрового размера имитирует взаимодействие нейронов в мозге посредством всплесков электрической активности. Датчики обнаруживают определенные события в виде всплесков, а затем передают эти данные по беспроводной сети в режиме реального времени с использованием радиоволн, экономя как энергию, так и полосу пропускания.

"Наш мозг работает очень разреженно", - сказал Джихун Ли, постдокторский исследователь из Брауна и ведущий автор исследования. "Нейроны не срабатывают постоянно. Они сжимают данные и срабатывают редко, поэтому они очень эффективны. Мы имитируем эту структуру здесь, в нашем подходе к беспроводной связи. Датчики не отправляли бы данные постоянно - они просто отправляли бы соответствующие данные по мере необходимости в виде коротких импульсов электрического тока, и они могли бы делать это независимо от других датчиков и без координации с центральным приемником. Поступая таким образом, нам удалось бы сэкономить много энергии и избежать переполнения нашего центрального приемного узла менее значимыми данными".

Эта схема радиочастотной передачи также делает систему масштабируемой и решает распространенную проблему современных сетей связи с датчиками: все они должны быть идеально синхронизированы, чтобы хорошо работать.

Исследователи говорят, что эта работа знаменует собой значительный шаг вперед в области крупномасштабных беспроводных сенсорных технологий и может однажды помочь сформировать то, как ученые собирают и интерпретируют информацию с этих маленьких кремниевых устройств, особенно с учетом того, что электронные датчики стали повсеместными в результате развития современных технологий.

"Мы живем в мире датчиков", - сказал Арто Нурмикко, профессор инженерной школы Брауна и старший автор исследования. "Они повсюду. Они, безусловно, есть в наших автомобилях, на многих рабочих местах и все чаще проникают в наши дома. Наиболее требовательная среда для этих датчиков всегда будет находиться внутри человеческого тела."

Вот почему исследователи полагают, что система может помочь заложить основу для следующего поколения имплантируемых и носимых биомедицинских датчиков. В медицине растет потребность в эффективных, ненавязчивых и незаметных микроустройствах, которые также работают как часть больших ансамблей для отображения физиологической активности во всей интересующей области.

"Это важная веха с точки зрения фактической разработки беспроводного микросенсора на основе spike", - сказал Ли. "Если мы продолжим использовать обычные методы, мы не сможем собирать данные с высокой пропускной способностью, которые потребуются этим приложениям в системах следующего поколения".

События, которые идентифицируют и передают датчики, могут быть конкретными событиями, такими как изменения в окружающей среде, которые они отслеживают, включая колебания температуры или присутствие определенных веществ.

Датчики способны потреблять как можно меньше энергии, поскольку внешние приемопередатчики обеспечивают беспроводное питание датчиков при передаче своих данных - это означает, что им просто нужно находиться в пределах досягаемости энергетических волн, посылаемых приемопередатчиком, чтобы получить заряд. Эта способность работать без необходимости подключения к источнику питания или батарее делает их удобными и универсальными для использования в самых разных ситуациях.

Команда спроектировала и смоделировала сложную электронику на компьютере и провела несколько производственных итераций для создания датчиков. Работа основана на предыдущих исследованиях лаборатории Нурмикко в Брауне, в ходе которых был представлен новый вид системы нейронного интерфейса под названием "neurograins". Эта система использовала скоординированную сеть крошечных беспроводных датчиков для регистрации и стимуляции мозговой активности.

"Эти чипы довольно сложны как миниатюрные микроэлектронные устройства, и нам потребовалось некоторое время, чтобы добраться сюда", - сказал Нурмикко, который также связан с Институтом Карни Брауна по изучению мозга. "Объем работы и усилий, которые требуются для настройки нескольких различных функций при манипулировании электронной природой этих датчиков, которые в основном сжимаются до долей миллиметра кремниевого пространства, не является тривиальным".

Исследователи продемонстрировали эффективность своей системы, а также то, насколько ее потенциально можно масштабировать. Они протестировали систему с использованием 78 датчиков в лаборатории и обнаружили, что могут собирать и отправлять данные с небольшим количеством ошибок, даже когда датчики передавали данные в разное время. С помощью моделирования они смогли показать, как декодировать данные, собранные из мозга приматов, используя около 8000 гипотетически имплантированных датчиков.

Исследователи говорят, что следующие шаги включают оптимизацию системы для снижения энергопотребления и изучение более широких применений, выходящих за рамки нейротехнологий.

"Текущая работа предоставляет методологию, на которую мы можем опираться в дальнейшем", - сказал Ли.