เซ็นเซอร์แบบสวมใส่มีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่งด้วยเทคโนโลยีไร้สายที่ช่วยให้ความเข้มข้นของกลูโคส ความดันโลหิต อัตราการเต้นของหัวใจ และระดับกิจกรรมของบุคคลนั้นสามารถส่งผ่านจากเซ็นเซอร์ไปยังสมาร์ทโฟนได้อย่างราบรื่นเพื่อการวิเคราะห์เพิ่มเติม
เซ็นเซอร์ไร้สายส่วนใหญ่ในปัจจุบันสื่อสารผ่านชิปบลูทูธแบบฝังตัวที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ขนาดเล็ก แต่ชิปและแหล่งพลังงานแบบธรรมดาเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะใหญ่เกินไปสำหรับเซ็นเซอร์ยุคหน้า ซึ่งใช้รูปแบบที่เล็กกว่า บางกว่า และยืดหยุ่นกว่า
ตอนนี้วิศวกรของ MIT ได้คิดค้นเซนเซอร์สวมใส่ชนิดใหม่ที่สื่อสารแบบไร้สายโดยไม่ต้องใช้ชิปออนบอร์ดหรือแบตเตอรี่ การออกแบบของพวกเขาซึ่งมีรายละเอียดในวันนี้ในวารสารScienceเปิดเส้นทางสู่เซ็นเซอร์ไร้สายแบบไม่มีชิป
การออกแบบเซ็นเซอร์ของทีมคือรูปแบบหนึ่งของผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์ หรือ “e-skin” ซึ่งเป็นฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์ที่ยืดหยุ่นซึ่งสอดคล้องกับผิวหนัง เช่น เทปสก๊อตช์อิเล็กทรอนิกส์ หัวใจของเซ็นเซอร์คือฟิล์มแกลเลียมไนไตรด์คุณภาพสูงที่บางเฉียบ ซึ่งเป็นวัสดุที่ขึ้นชื่อในเรื่องคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งหมายความว่ามันสามารถผลิตสัญญาณไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อความเครียดทางกลและการสั่นสะเทือนทางกลไกเพื่อตอบสนองต่อแรงกระตุ้นทางไฟฟ้า .
นักวิจัยพบว่าพวกเขาสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกแบบสองทางของแกลเลียมไนไตรด์ และใช้วัสดุนี้พร้อมกันสำหรับทั้งการตรวจจับและการสื่อสารแบบไร้สาย
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ ทีมงานได้ผลิตตัวอย่างแกลเลียมไนไตรด์ที่บริสุทธิ์และเป็นผลึกเดี่ยว ซึ่งจับคู่กับชั้นตัวนำของทองคำเพื่อเพิ่มสัญญาณไฟฟ้าขาเข้าหรือขาออก พวกเขาแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ดังกล่าวมีความไวพอที่จะสั่นเพื่อตอบสนองต่อการเต้นของหัวใจของบุคคล เช่นเดียวกับเกลือในเหงื่อของพวกเขา และการสั่นของวัสดุทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่เครื่องรับที่อยู่ใกล้เคียงสามารถอ่านได้ ด้วยวิธีนี้ อุปกรณ์สามารถส่งข้อมูลการตรวจจับแบบไร้สาย โดยไม่ต้องใช้ชิปหรือแบตเตอรี่
Jeehwan Kim รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมกล่าวว่า “ชิปต้องใช้พลังงานมาก แต่อุปกรณ์ของเราสามารถทำให้ระบบเบามากได้โดยไม่ต้องใช้ชิปที่ต้องการพลังงาน” และผู้วิจัยหลักในห้องปฏิบัติการวิจัยอิเล็กทรอนิกส์ “คุณสามารถสวมมันไว้บนร่างกายเหมือนผ้าพันแผล และจับคู่กับเครื่องอ่านไร้สายบนโทรศัพท์มือถือของคุณ คุณสามารถตรวจสอบชีพจร เหงื่อ และสัญญาณทางชีววิทยาอื่นๆ ของคุณแบบไร้สายได้”
ผู้เขียนร่วมของ Kim ได้แก่ ผู้เขียนคนแรกและอดีต MIT postdoc Yeongin Kim ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ University of Cincinnati; ผู้เขียนร่วม Jiyeon Han จากบริษัทเครื่องสำอางเกาหลี AMOREPACIFIC ซึ่งช่วยกระตุ้นการทำงานในปัจจุบัน สมาชิกของ Kim Research Group ที่ MIT; และผู้ทำงานร่วมกันคนอื่นๆ ที่ University of Virginia, Washington University ใน St. Louis และสถาบันหลายแห่งทั่วเกาหลีใต้
เสียงสะท้อนที่บริสุทธิ์
ก่อนหน้านี้กลุ่มของ Jeehwan Kim ได้พัฒนาเทคนิคที่เรียกว่าremote epitaxyซึ่งพวกเขาได้ใช้ในการเติบโตอย่างรวดเร็วและลอกสารกึ่งตัวนำคุณภาพสูงที่บางเฉียบออกจากเวเฟอร์ที่เคลือบด้วยกราฟีน โดยใช้เทคนิคนี้ พวกเขาได้ประดิษฐ์และสำรวจฟิล์มอิเล็กทรอนิกส์แบบมัลติฟังก์ชั่นที่มีความยืดหยุ่น
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ วิศวกรใช้เทคนิคเดียวกันนี้ในการลอกฟิล์มแกลเลียมไนไตรด์ที่เป็นผลึกเดี่ยวบางเฉียบออก ซึ่งในรูปแบบที่บริสุทธิ์และปราศจากข้อบกพร่องเป็นวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่มีความไวสูง
ทีมงานมองหาที่จะใช้ฟิล์มแกลเลียมไนไตรด์บริสุทธิ์เป็นทั้งเซ็นเซอร์และอุปกรณ์สื่อสารไร้สายของคลื่นเสียงที่พื้นผิว รูปแบบของคลื่นเหล่านี้สามารถบ่งบอกถึงอัตราการเต้นของหัวใจของบุคคล หรือมากกว่านั้นอย่างละเอียดกว่านั้น การมีอยู่ของสารประกอบบางอย่างบนผิวหนัง เช่น เกลือในเหงื่อ
นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าเซ็นเซอร์ที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ซึ่งยึดติดกับผิวหนังจะมีการสั่นสะเทือนหรือความถี่ “เรโซแนนซ์” โดยธรรมชาติซึ่งวัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าพร้อมกันซึ่งเป็นความถี่ที่เครื่องรับไร้สายสามารถลงทะเบียนได้ การเปลี่ยนแปลงใดๆ ของสภาพผิว เช่น จากอัตราการเต้นของหัวใจที่เร่งขึ้น จะส่งผลต่อการสั่นสะเทือนทางกลไกของเซ็นเซอร์ และสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งไปยังเครื่องรับโดยอัตโนมัติ
“หากมีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในชีพจร หรือสารเคมีในเหงื่อ หรือแม้แต่การสัมผัสกับผิวหนังด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต กิจกรรมทั้งหมดนี้สามารถเปลี่ยนรูปแบบของคลื่นเสียงที่พื้นผิวบนฟิล์มแกลเลียมไนไตรด์ได้” Yeongin Kim กล่าว “และความไวของฟิล์มของเรานั้นสูงมากจนสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้”
การส่งคลื่น
เพื่อทดสอบแนวคิดของพวกเขา นักวิจัยได้ผลิตฟิล์มบางๆ ของแกลเลียมไนไตรด์บริสุทธิ์คุณภาพสูง และจับคู่กับชั้นทองคำเพื่อเพิ่มสัญญาณไฟฟ้า พวกเขาวางทองคำในรูปแบบของดัมเบลล์ซ้ำ – โครงสร้างคล้ายตาข่ายที่ให้ความยืดหยุ่นแก่โลหะแข็งตามปกติ แกลเลียมไนไตรด์และทองคำซึ่งถือว่าเป็นตัวอย่างผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์ มีความหนาเพียง 250 นาโนเมตร ซึ่งบางกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ประมาณ 100 เท่า
พวกเขาวาง e-skin ใหม่บนข้อมือและคอของอาสาสมัคร และใช้เสาอากาศแบบเรียบง่ายซึ่งอยู่ใกล้ ๆ เพื่อลงทะเบียนความถี่ของอุปกรณ์แบบไร้สายโดยไม่ต้องสัมผัสกับเซ็นเซอร์เอง อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถรับรู้และส่งการเปลี่ยนแปลงแบบไร้สายของคลื่นเสียงบนพื้นผิวของแกลเลียมไนไตรด์บนผิวหนังของอาสาสมัครที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเต้นของหัวใจ
ทีมงานยังได้จับคู่อุปกรณ์กับเมมเบรนตรวจจับไอออนแบบบาง ซึ่งเป็นวัสดุที่ดึงดูดไอออนเป้าหมายอย่างเฉพาะเจาะจง และในกรณีนี้คือโซเดียม ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพนี้ อุปกรณ์สามารถตรวจจับและส่งสัญญาณระดับโซเดียมที่เปลี่ยนแปลงไปแบบไร้สายเมื่ออาสาสมัครจับแผ่นความร้อนและเริ่มเหงื่อออก
นักวิจัยมองว่าผลลัพธ์ของพวกเขาเป็นก้าวแรกสู่เซ็นเซอร์ไร้สายแบบไม่มีชิป และพวกเขามองเห็นว่าอุปกรณ์ปัจจุบันสามารถจับคู่กับเยื่อบางๆ ที่คัดเลือกมาเพื่อตรวจสอบไบโอมาร์คเกอร์ที่สำคัญอื่นๆ
Jun Min Suh ผู้ร่วมวิจัยและ MIT postdoc Jun Min Suh กล่าวว่า “เราแสดงให้เห็นการตรวจวัดโซเดียม แต่ถ้าคุณเปลี่ยนเมมเบรนของการตรวจจับ “มันค่อนข้างเป็นแพลตฟอร์มที่หลากหลาย”
งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดย AMOREPACIFIC
