El dispositivo detecta y transmite de forma
inalámbrica señales relacionadas con el pulso, el sudor y la exposición a los
rayos ultravioleta, sin voluminosos chips ni baterías.
Los sensores portátiles son omnipresentes
gracias a la tecnología inalámbrica que permite que las concentraciones de
glucosa, la presión arterial, la frecuencia cardíaca y los niveles de actividad
de una persona se transmitan sin problemas desde el sensor al teléfono inteligente
para su posterior análisis.
Actualmente la mayoría de los sensores
inalámbricos se comunican a través de chips Bluetooth integrados que funcionan
con baterías pequeñas.
Estos chips y fuentes de energía
convencionales son demasiado voluminosos. Los sensores de nueva generación, se
están adoptando a formas más pequeñas, delgadas y flexibles.
Los ingenieros del MIT han ideado un nuevo
tipo de sensor portátil que se comunica de forma inalámbrica sin necesidad de
chips o baterías integrados.
El diseño del sensor del equipo es una forma
de piel electrónica, o “e-skin”, es una película semiconductora flexible que se
adapta a la piel como una cinta adhesiva electrónica.
El corazón del sensor es una película (malla)
ultrafina de nitruro de galio de alta calidad. Este material es conocido por
sus propiedades piezoeléctricas, lo que significa que puede producir una señal
eléctrica en respuesta a la tensión mecánica y vibrar mecánicamente en
respuesta a un impulso eléctrico. .
Los investigadores descubrieron que podían
aprovechar las propiedades piezoeléctricas bidireccionales del nitruro de galio
y usar este material simultáneamente, para la detección y la comunicación
inalámbrica.
En su nuevo estudio, el equipo produjo
muestras monocristalinas puras de nitruro de galio, que combinaron con una capa
conductora de oro para aumentar cualquier señal eléctrica entrante o saliente.
Demostraron que el dispositivo es lo
suficientemente sensible como para vibrar en respuesta al latido del corazón de
una persona, así como a la sal en su sudor, y que las vibraciones del material
generaban una señal eléctrica que podía ser leída por un receptor
cercano.
De esta manera, el dispositivo pudo
transmitir información de detección de forma inalámbrica, sin necesidad de un
chip o batería.
«Los chips requieren mucha energía,
pero nuestro dispositivo puede hacer que sea muy liviano sin tener chips que
consuman mucha energía», señaló el autor del estudio Jeehwan Kim, profesor
asociado de ingeniería mecánica y de ciencia e ingeniería de materiales e
investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica.
“Podrías ponerlo en tu cuerpo como un
vendaje, junto con un lector inalámbrico en tu teléfono celular, pudiendo
monitorear de forma inalámbrica el pulso, sudor y otras señales biológicas”.
El grupo desarrolló previamente una técnica,
llamada epitaxia remota, que han empleado para crecer y despegar
rápidamente semiconductores ultrafinos de alta calidad de obleas
recubiertas con grafeno.
La epitaxia remota consiste en cultivar películas
semiconductoras ultrafinas de alta calidad en obleas a alta temperatura y
despegar selectivamente las películas, para luego combinar y apilarlas formando
sensores mucho más delgados y flexibles que las obleas convencionales.
Usando esta técnica, han fabricado y
explorado varias películas electrónicas flexibles y multifuncionales.
En un nuevo estudio, los ingenieros
utilizaron la misma técnica para desprender películas monocristalinas
ultrafinas de nitruro de galio, que en su forma pura y sin defectos es un
material piezoeléctrico muy sensible.
El equipo buscó usar una película pura de
nitruro de galio como sensor y comunicador inalámbrico de ondas acústicas
superficiales, que son esencialmente vibraciones a través de las películas.
Los patrones de estas ondas pueden
indicar el ritmo cardíaco de una persona, o incluso, más sutilmente, la
presencia de ciertos compuestos en la piel, como la sal en el sudor.
Cualquier cambio en las condiciones de la
piel, como un ritmo cardíaco acelerado, afectaría las vibraciones mecánicas del
sensor y la señal eléctrica se transmite automáticamente al receptor.
Para probar su idea, los investigadores
produjeron una película delgada de nitruro de galio puro de alta
calidad y la combinaron con una capa de oro para aumentar la
señal eléctrica.
Depositaron el oro en el patrón de pesas que
se repiten, y le dieron una configuración similar a un enrejado para
impartir cierta flexibilidad al metal normalmente rígido.
El nitruro de galio y el oro, que consideran
una muestra de piel electrónica, mide solo 250 nanómetros de espesor, unas 100
veces más delgado que el ancho de un cabello humano.
Colocaron la nueva piel electrónica en las
muñecas y el cuello de los voluntarios, usando una antena simple sostenida
cerca, registrando de forma inalámbrica la frecuencia del dispositivo sin
contactar físicamente con el sensor.
El dispositivo pudo detectar y transmitir
cambios en las ondas acústicas superficiales del nitruro de galio en la piel de
los voluntarios en relación con su frecuencia cardíaca.
El equipo también combinó el dispositivo con
una membrana delgada de detección de iones, un material que atrae
selectivamente un ion objetivo y, en este caso, sodio.
El dispositivo pudo detectar y transmitir de
forma inalámbrica los niveles cambiantes de sodio en el momento que un
voluntario sostenía una almohadilla térmica y comenzaba a sudar.
Los investigadores ven que los resultados son
aplicables a sensores inalámbricos sin chips, y prevén que el dispositivo actual
podría combinarse con otras membranas selectivas permitiendo monitorear otros
biomarcadores vitales.
Demostraron la detección de sodio, pero si
cambia la membrana de detección, podría detectar cualquier biomarcador,
objetivo, como la glucosa o el cortisol relacionado con los niveles de estrés.
Por Dr. Rosselli
Armando
Fuente: Massachusetts
Institute of Technology https://news.mit.edu/2022/sensor-electronic-chipless-0818
Leído en DocMed
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