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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 un fácil acceso a un análisis más profundo.
La mayoría de los sensores inalámbricos actuales se comunican a través de chips Bluetooth integrados que funcionan con baterías pequeñas. Pero esos chips y fuentes de energía convencionales probablemente serán demasiado voluminosos para los sensores de próxima generación, que adoptan formas más pequeñas, delgadas y flexibles.
Los ingenieros del MIT ahora han diseñado un nuevo tipo de sensor portátil que se comunica de forma inalámbrica sin necesidad de chips o baterías integrados. Su diseño, detallado hoy en la reseña La cienciaallana el camino para los sensores inalámbricos sin chip.
El diseño del sensor del equipo es una forma de piel electrónica, o «piel electrónica», una película semiconductora flexible que se adapta a la piel como una cinta electrónica. El núcleo del sensor es una película ultradelgada de alta calidad de nitruro de galio, un material 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 una señal eléctrica. impulso. .
Los investigadores descubrieron que podían explotar las propiedades piezoeléctricas bidireccionales del nitruro de galio y usar el 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 amplificar cualquier señal eléctrica entrante o saliente. Demostraron que el dispositivo era 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 podría hacer que un sistema sea muy liviano sin tener chips que consumen mucha energía», dice el autor correspondiente del estudio, Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales e investigador principal. en el Laboratorio de Investigación Electrónica. «Puedes ponerlo en tu cuerpo como un vendaje, y junto con un medidor inalámbrico en tu teléfono celular, puedes monitorear de forma inalámbrica tu pulso, sudor y otras bioseñales».
Los coautores de Kim incluyen al primer autor y ex postdoctorado del MIT, Yeongin Kim, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Cincinnati; el coautor correspondiente Jiyeon Han de la compañía de cosméticos coreana AMOREPACIFIC, quien ayudó a motivar el trabajo en curso; miembros del Grupo de Investigación Kim del MIT; y otros colaboradores de la Universidad de Virginia, la Universidad de Washington en St. Louis y varias instituciones en Corea del Sur.
pura resonancia
El grupo de Jeehwan Kim desarrolló previamente una técnica, llamada epitaxia remota, que utilizaron para hacer crecer y despegar rápidamente semiconductores ultrafinos de alta calidad de obleas recubiertas de grafeno. Usando esta técnica, fabricaron y exploraron varias películas electrónicas flexibles y multifuncionales.
En su nuevo estudio, los ingenieros utilizaron la misma técnica para despegar películas monocristalinas ultrafinas de nitruro de galio, que en su forma pura e impecable es un material piezoeléctrico muy sensible.
El equipo buscó utilizar una película de nitruro de galio puro 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.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que un sensor a base de nitruro de galio, adherido a la piel, tendría su propia vibración o frecuencia «resonante» inherente que el material piezoeléctrico convertiría simultáneamente en una señal eléctrica, cuya frecuencia podría ser registrada por un dispositivo inalámbrico. receptor. Cualquier cambio en el estado de la piel, como un ritmo cardíaco acelerado, afectaría las vibraciones mecánicas del sensor y la señal eléctrica que transmite automáticamente al receptor.
«Si hay un cambio en el pulso, o los químicos en el sudor, o incluso la exposición ultravioleta de la piel, toda esa actividad puede cambiar el patrón de ondas acústicas de la superficie en la película de nitruro de galio», señala Yeongin Kim. «Y la sensibilidad de nuestra película es tan alta que puede detectar estos cambios».
transmisión de ondas
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 amplificar la señal eléctrica. Depositaron el oro en un patrón repetitivo de mancuernas, una configuración similar a un enrejado que impartía cierta flexibilidad al metal normalmente rígido. El nitruro de galio y oro, que consideran una muestra de piel electrónica, tiene 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 cuellos de los voluntarios y usaron una antena simple, sostenida cerca, para registrar de forma inalámbrica la frecuencia del dispositivo sin contactar físicamente con el sensor. El dispositivo pudo detectar y transmitir de forma inalámbrica cambios en las ondas acústicas superficiales de nitruro de galio en la piel de los voluntarios en función de 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. Con esta mejora, el dispositivo podría detectar y transmitir de forma inalámbrica los niveles cambiantes de sodio cuando un voluntario sostenía una almohadilla térmica y comenzaba a sudar.
Los investigadores ven sus hallazgos como un primer paso hacia sensores inalámbricos sin chip y prevén que el dispositivo actual podría combinarse con otras membranas selectivas para monitorear otros biomarcadores vitales.
«Mostramos la detección de sodio, pero si cambia la membrana de detección, puede detectar cualquier biomarcador objetivo, como glucosa o cortisol relacionado con los niveles de estrés», explica el coautor y estudiante de doctorado del MIT, Jun Min Suh. «Es una plataforma bastante versátil».
Esta investigación fue apoyada por AMOREPACIFIC.
