Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2015
Tekla S. Perry
IEEE Spectrum
Биоштампы могут заменить современные неудобные биомедицинские датчики
Я поворачиваю ключ, чтобы завести маленький Ford SUV, арендованный для визита в Иллинойский университет в Урбана-Шампейне, и на приборной панели начнет мигать сообщение: «Низкое давление в шинах». Я игнорирую его. Моему личному автомобилю 12 лет; я не привык к машине, которая контролирует свое состояние. Впрочем, оказалось, что маленький Ford не шутил. На следующее утро я обнаружил автомобиль со спущенной шиной.
 |
| Новейшая носимая электроника: Джон Роджерс и его группа исследователей из Иллинойского университета разработали способ создания схем, которые функционируют как кожа, накапливая энергию беспроводным способом, и их можно носить практически на любом месте тела. |
Современные автомобили напичканы датчиками, которые, постоянно контролируя жизненно важные элементы транспортного средства, показывают, например, нуждается ли в замене фильтр, или работает ли подушка безопасности. Электроника диагностирует неполадки после их возникновения и даже предсказывает неизбежные проблемы. А здорово было бы, если бы примерно таким же способом мы могли диагностировать состояние нашего тела?
По иронии судьбы, именно эта идея привела меня в Иллинойс. Я здесь для того, чтобы повидаться с Джоном Роджерсом (John Rogers), профессором материаловедения Иллинойсского университета, который твердо убежден, что когда-нибудь мы все будем носить на своих телах датчики, посылающие информацию на мобильный телефон, подобно тому, как автомобильные датчики сообщают данные бортовому компьютеру.
Как это работает. Внутри Биоштампа
 |
| Хотя все биоштампы имеют несколько общих черт – растягиваются, как кожа, содержат гибкие схемы и могут получать беспроводное питание – различные функции требуют различных датчиков. Изображенный слева датчик в виде бабочки предназначен для мониторинга уровня воздействия ультрафиолетового излучения солнца, датчик в центре использует чувствительные красители для обнаружения химических веществ в поте, а электронная схема в датчике справа измеряет кровяное давление. |
Мы уже сделали первые шаги в этом направлении. Многие из нас теперь носят фитнес-браслеты, которые отслеживают нашу активность и частоту сердцебиения и предполагают, что мы спим, если не двигаемся некоторое время. Но большинство из этих браслетов не так уж изящны или ненавязчивы, поэтому даже самый упорный из нас когда-нибудь снимет их. К тому же информация, которую они предоставляют, интересна, но вряд ли жизненно важна. Они не могут обнаружить признаки того, что вы заболели, и не скажут вашим врачам того, что им стоило бы знать, чтобы отменить визит в клинику.
Но, как считает Роджерс, нет никаких причин, почему это невозможно. Вспомните ваше последнее медицинское обследование. Ваш врач проверил пульс, температуру, артериальное давление, и, возможно, уровень кислорода в крови. При обнаружении каких-либо отклонений, вероятно, вас отправили бы на дальнейшие обследования – возможно, ЭКГ для проверки сердца, анализ крови, чтобы проверить на диабет, электромиографию, если у вас обнаружили мышечную слабость, или даже полисомнографию для проверки на апноэ. Все эти обследования требуют специализированного и дорогого оборудования, квалифицированных медицинских специалистов или инвазивных вмешательств.
Эти и другие обследования могут быть выполнены с помощью датчиков настолько легких, прочных и удобных, что вы сможете носить их на теле в течение нескольких недель. Это не далекая мечта. В настоящее время несколько датчиков, разработанных исследовательской группой Роджерса, проходят или готовы пройти клинические испытания в Соединенных Штатах и Европе, и, как ожидается, первые коммерческие версии станут доступны в конце 2015 года.
По утверждению Роджерса, эти датчики настолько похожи на кожу, что вы не чувствуете их присутствия на теле. Но я не поверил ему на слово и проносил один датчик на внутренней стороне предплечья больше недели. Эта была тестовая версия, которая просто передавала приветствие при активации с помощью Android смартфона; модули с биосенсорами были еще недоступны для журналистов.
Несмотря на свою простоту, этот датчик привел меня в восторг. Он держался на руке незаметно и надежно, когда я делал свои повседневные дела – мылся в душе, спал и тренировался. Он также заставил меня задуматься о том, как будущие версии этих датчиков смогут сделать нашу жизнь лучше – не через десятилетие, а, как обещает Роджерс, в течение нескольких лет.
Команда из Иллинойса – не единственная, кто пытается сделать нательную электронику. Такао Сомея (Takao Someya) возглавляет в Токийском университете группу, которая разрабатывает электронную кожу, состоящую из органических полупроводников и углеродных нанотрубок. Чжэньань Бао (Zhenan Bao) в Стэнфорде также работает с органическими полупроводниками, чтобы создать электронную пленку, которая была бы чувствительна, как человеческая кожа, и могла применяться для покрытия конечностей роботов. А исследователи из Калифорнийского университета, Сан-Диего, разрабатывают чернила, которые позволили бы ученым рисовать датчики непосредственно на коже.
Но, похоже, что кожеподобные датчики Роджерса первыми выйдут из лаборатории и попадут на наши тела. В 2008 году Роджерс совместно с Рузбехом Гаффари (Roozbeh Ghaffari) основал компанию под названием MC10, чтобы внедрить исследования его группы в области эластичной электроники в коммерческую медицинскую продукцию. MC10 сегодня имеет около 60 штатных сотрудников, $60 млн. венчурного капитала и корпоративных инвестиций и один продукт на рынке – Checklight – шлем для точного измерения ускорений при ударах головы спортсменов. Он не относится непосредственно к кожеподобным датчикам, но гнется, чтобы соответствовать форме части тела. (Роджерс работает в MC10 и помогает планировать исследовательские и технологические работы компании вместе с Гаффари, который в настоящее время является техническим директором MC10).
В конце 2012 года MC10 начала выпускать первые накожные датчики – компания называет их Биоштампы (Biostamps). Большинство из этих ранних моделей были использованы для внутренних исследований или совместных разработок с партнерами. Создание нового поколения устройств MC10 начала в конце 2014 года; большинство из этих Биоштампов теперь отправлены медицинским исследователям для прохождения клинических испытаний. Потребительские Биоштампы также разрабатываются для компаний, ориентирующихся на собственные специальные ниши. Например, косметическая компания может предоставлять в одной упаковке с солнцезащитным кремом Биоштамп для мониторинга воздействия солнечных лучей, или фармацевтическая компания может вместе с медикаментами поставлять Биоштампы для мониторинга двигательной активности или температуры.
Простой Биоштамп представляет собой тонкую наклейку размером с британскую десятипенсовую монету или американскую монету в четверть доллара. Он выглядит как временная татуировка, которую может наклеить на себя ребенок на праздновании дня рождения, но поскольку по механическим свойствам он очень похож на кожу, владелец не почувствует его. Биоштамп может содержать сотни тысяч транзисторов, а также резисторы, светодиоды, и радиочастотную антенну. Он водостоек и воздухопроницаем, и в массовом производстве стоит всего несколько десятков центов. Его можно носить примерно неделю, прежде чем он начнет отслаиваться вследствие естественного осыпания старых клеток кожи, что будет похоже на шелушение после солнечного ожога.
Биоштамп состоит из эластичных схем, прикрепленных к очень тонкому листу резины. Чтобы сделать эти схемы, Роджерс и его коллеги в Иллинойсе начали с изготовления собственных транзисторов, диодов, конденсаторов и других электронных устройств на пластинах обычных полупроводниковых материалов. Как правило, они используют кремний, но могут также применять арсенид галлия или нитрид галлия. Это не обычные полупроводниковые пластины; они похожи на слоеные печенья Oreo. У них есть тонкий верхний слой полупроводникового материала, более толстый нижний слой того же материала, используемый в качестве жесткой опоры в процессе производства, и расположенный между ними временный слой другого материала. В случае кремниевой пластины этот временный слой состоит из диоксида кремния. По завершении процедуры изготовления устройства этот центральный слой удаляется в химической ванне, освобождая тонкий верхний слой.
Затем сделанный из кремния штамп надавливает на пластину. Выступающие области штампа поднимают выбранные электронные устройства точно так же, как обычная резиновая печать поднимает чернила со штемпельной подушки. После поднятия устройств кремниевый штамп кладет их на временную подложку, в роли которой, как правило, выступает стеклянная пластина с пластиковым покрытием. Эта пластина проходит через стандартный процесс фотолитографии, который соединяет компоненты медными проводниками, имеющими вид змеевидных катушек, что делает соединения способными к растяжению.
Следующим шагом является перенос соединенных друг с другом устройств с ламинированного стекла на то, что пойдет к потребителям – тонкий лист резины, уже прикрепленный к пластиковой подложке с клеевым слоем между ними. Чтобы сделать это, машина продавливает резину напротив каждого элемента из массива устройств и катушек, которые пока еще прикреплены к стеклу с пластиковым покрытием. Затем пластик между электронными схемами и стеклом растворяется в химической ванне, освобождая, таким образом, присоединенные к резине схемы. И на последнем шаге Биоштамп попадает в руки пользователя, который открывает слой клеящего материала и приклеивает резиновую подложку с электроникой себе на кожу.
Во многих Биоштампах вся электроника создана с помощью именно такого процесса. Впрочем, в некоторых случаях конструкция Биоштампа включает в себя бескорпусной микропроцессор, толщину которого разработчики смогли уменьшить до 5 … 10 мкм. Еще несколько микрометров занимает гибкая смола, покрывающая схему для защиты от воды. В настоящее время, однако, большинство Биоштампов не имеют полнофункциональных микропроцессоров. Большинство из тех, что проходят сейчас испытания, предназначены для простого сбора и передачи данных; их анализ выполняется другим устройством, как правило, смартфоном или планшетом.
Биоштамп питает себя, извлекая энергию радиосигналов ближней бесконтактной связи (NFC), источниками которых обычно служит мобильный телефон владельца. Таким же способом Биоштамп общается с телефоном. Устройство NFC, посылающее данные на частоте 13.56 МГц, имеется практически во всех современных моделях телефонов, которые используют его для осуществления бесконтактных платежей. На данный момент штампы работают только с телефонами на базе Android, но технические средства совместимы с типом технологии NFC, имеющейся и в новых iPhone.
 |
| Коллекция Биоштампов: эти марки включают в себя различные ультратонкие бескорпусные электронные устройства, гибкие схемы и чувствительные красители. Они получают энергию и передают информацию по беспроводному каналу и могут поддерживать множество датчиков для мониторинга различных функций организма. |
С помощью катушки индуктивности штамп преобразует энергию принятых антенной радиосигналов в электрическую энергию. Если передающий NFC-сигналы телефон находится в пределах одного метра, Биоштамп может генерировать мощность в десятки милливатт. Если потребуется собирать энергию с большего расстояния, можно создать Биоштамп для приема радиосигналов с частотой от 1 до 2.5 ГГц, излучаемых передатчиком, удаленным на несколько метров.
Нынешние похожие на татуировки версии не хранят энергию, хотя группа Роджерса и MC10 уже разработали и испытали эластичные аккумуляторы и ионисторы. Однако, скажем, в больничной палате с NFC-передатчиком под кроватью или при наличии в углу радиопередатчика с достаточным радиусом действия Биоштампы могут работать непрерывно и бесконечно.
