I sensori indossabili sono onnipresenti grazie alla tecnologia wireless che consente di trasmettere senza problemi le concentrazioni di glucosio, la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca e i livelli di attività di una persona dal sensore allo smartphone per ulteriori analisi.
La maggior parte dei sensori wireless oggi comunica tramite chip Bluetooth integrati che sono essi stessi alimentati da piccole batterie. Ma questi chip e fonti di alimentazione convenzionali saranno probabilmente troppo ingombranti per i sensori di prossima generazione, che stanno assumendo forme più piccole, più sottili e più flessibili.
Gli ingegneri del MIT hanno ideato un nuovo tipo di sensore indossabile che comunica in modalità wireless senza richiedere chip o batterie integrati. Il loro design, dettagliato oggi sulla rivista Science, apre la strada verso sensori wireless privi di chip.
Il design del sensore del team è una forma di pelle elettronica, o “e-skin”, una pellicola semiconduttrice flessibile che si adatta alla pelle come lo scotch elettronico. Il cuore del sensore è una pellicola ultrasottile e di alta qualità di nitruro di gallio, un materiale noto per le sue proprietà piezoelettriche, il che significa che può sia produrre un segnale elettrico in risposta a sollecitazioni meccaniche sia vibrare meccanicamente in risposta a un impulso elettrico.
I ricercatori hanno scoperto che potrebbero sfruttare le proprietà piezoelettriche bidirezionali del nitruro di gallio e utilizzare il materiale contemporaneamente sia per il rilevamento che per la comunicazione wireless.
Nel loro nuovo studio, il team ha prodotto campioni puri e monocristallini di nitruro di gallio, che hanno accoppiato con uno strato conduttivo di oro per potenziare qualsiasi segnale elettrico in entrata o in uscita. Hanno dimostrato che il dispositivo era abbastanza sensibile da vibrare in risposta al battito cardiaco di una persona, così come al sale nel sudore, e che le vibrazioni del materiale generavano un segnale elettrico che poteva essere letto da un ricevitore vicino. In questo modo, il dispositivo è stato in grado di trasmettere in modalità wireless le informazioni di rilevamento, senza la necessità di un chip o di una batteria.
“I chip richiedono molta potenza, ma il nostro dispositivo potrebbe rendere un sistema molto leggero senza avere chip assetati di energia”, afferma l’autore corrispondente dello studio, Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica e di scienza e ingegneria dei materiali. e ricercatore principale nel Laboratorio di ricerca di elettronica. “Potresti metterlo sul tuo corpo come una benda e accoppiato con un lettore wireless sul tuo cellulare, potresti monitorare in modalità wireless il polso, il sudore e altri segnali biologici”.
I coautori di Kim includono il primo autore ed ex postdottorato del MIT Yeongin Kim, che ora è assistente professore all’Università di Cincinnati; il co-autore Jiyeon Han della società di cosmetici coreana AMOREPACIFIC, che ha contribuito a motivare il lavoro in corso; membri del Kim Research Group al MIT; e altri collaboratori presso l’Università della Virginia, la Washington University di St. Louis e diverse istituzioni in tutta la Corea del Sud.
Il gruppo di Jeehwan Kim ha precedentemente sviluppato una tecnica, chiamata epitassia remota, che hanno impiegato per far crescere e staccare rapidamente semiconduttori ultrasottili e di alta qualità da wafer ricoperti di grafene. Usando questa tecnica, hanno fabbricato ed esplorato vari film elettronici flessibili e multifunzionali.
Nel loro nuovo studio, gli ingegneri hanno utilizzato la stessa tecnica per staccare le pellicole monocristalline ultrasottili di nitruro di gallio, che nella sua forma pura e priva di difetti è un materiale piezoelettrico altamente sensibile.
Il team ha cercato di utilizzare una pellicola pura di nitruro di gallio sia come sensore che come comunicatore wireless delle onde acustiche di superficie, che sono essenzialmente vibrazioni attraverso le pellicole. Gli schemi di queste onde possono indicare la frequenza cardiaca di una persona o, ancora più sottilmente, la presenza di determinati composti sulla pelle, come il sale nel sudore.
I ricercatori hanno ipotizzato che un sensore a base di nitruro di gallio, aderente alla pelle, avrebbe una propria vibrazione o frequenza “risonante” intrinseca che il materiale piezoelettrico convertirebbe simultaneamente in un segnale elettrico, la cui frequenza potrebbe registrare un ricevitore wireless. Qualsiasi cambiamento delle condizioni della pelle, ad esempio da una frequenza cardiaca accelerata, influenzerebbe le vibrazioni meccaniche del sensore e il segnale elettrico che trasmette automaticamente al ricevitore.
“Se c’è qualche cambiamento nel polso, o sostanze chimiche nel sudore, o anche l’esposizione ai raggi ultravioletti della pelle, tutta questa attività può cambiare il modello delle onde acustiche superficiali sulla pellicola di nitruro di gallio”, osserva Yeongin Kim. “E la sensibilità del nostro film è così alta che può rilevare questi cambiamenti”.
Per testare la loro idea, i ricercatori hanno prodotto una pellicola sottile di nitruro di gallio puro e di alta qualità e l’hanno accoppiata con uno strato d’oro per aumentare il segnale elettrico. Hanno depositato l’oro secondo lo schema di manubri ripetuti, una configurazione simile a un reticolo che ha conferito una certa flessibilità al metallo normalmente rigido. Il nitruro di gallio e l’oro, che considerano un campione di pelle elettronica, misurano solo 250 nanometri di spessore, circa 100 volte più sottile della larghezza di un capello umano.
Hanno posizionato la nuova e-skin sui polsi e sul collo dei volontari e hanno utilizzato una semplice antenna, tenuta nelle vicinanze, per registrare in modalità wireless la frequenza del dispositivo senza contattare fisicamente il sensore stesso. Il dispositivo è stato in grado di rilevare e trasmettere in modalità wireless i cambiamenti nelle onde acustiche superficiali del nitruro di gallio sulla pelle dei volontari in relazione alla loro frequenza cardiaca.
Il team ha anche accoppiato il dispositivo con una sottile membrana sensibile agli ioni, un materiale che attrae selettivamente uno ione bersaglio e, in questo caso, il sodio. Con questo miglioramento, il dispositivo è stato in grado di rilevare e trasmettere in modalità wireless i livelli di sodio variabili mentre un volontario si teneva su un cuscino termico e iniziava a sudare.
I ricercatori vedono i loro risultati come un primo passo verso sensori wireless privi di chip e prevedono che l’attuale dispositivo possa essere accoppiato con altre membrane selettive per monitorare altri biomarcatori vitali.
“Abbiamo mostrato il rilevamento del sodio, ma se si cambia la membrana di rilevamento, è possibile rilevare qualsiasi biomarcatore target, come il glucosio o il cortisolo correlato ai livelli di stress”, afferma Jun Min Suh, coautore e postdoc del MIT. “È una piattaforma piuttosto versatile.”
