Сенсорная сеть спроектирована таким образом, чтобы чипы можно было имплантировать в тело или интегрировать в носимые устройства. Каждый кремниевый датчик субмиллиметрового размера имитирует взаимодействие нейронов мозга посредством всплесков электрической активности. Фото: Ник Дентамаро/Университет Брауна.
Этот инновационный метод способствует развитию технологии беспроводных датчиков и открывает возможности для потенциального использования огромного количества малозаметных датчиков в имплантируемых и носимых биомедицинских микроустройствах в будущем.
Крошечные чипы могут стать большим прорывом для группы ученых под руководством инженеров Университета Брауна.
В статье для журнала Nature Electronics исследовательская группа описывает новый подход к созданию сети беспроводной связи, которая может эффективно передавать, получать и декодировать данные с тысяч микроэлектронных чипов, каждый из которых не больше крупинки соли.
Сенсорная сеть спроектирована таким образом, чтобы чипы можно было имплантировать в тело или интегрировать в носимые устройства. Каждый кремниевый датчик субмиллиметрового размера имитирует взаимодействие нейронов мозга посредством всплесков электрической активности. Датчики обнаруживают определенные события в виде всплесков, а затем передают эти данные по беспроводной сети в режиме реального времени с использованием радиоволн, экономя как энергию, так и полосу пропускания.
Эффективная передача данных, вдохновленная мозгом
«Наш мозг работает очень редко», — сказал Джихун Ли, постдокторант из Университета Брауна и ведущий автор исследования. «Нейроны не срабатывают постоянно. Они сжимают данные и редко срабатывают, поэтому очень эффективны. Мы имитируем эту структуру в нашем подходе к беспроводной связи. Датчики не будут отправлять данные постоянно — они будут просто отправлять соответствующие данные по мере необходимости в виде коротких всплесков электрических импульсов, и они смогут делать это независимо от других датчиков и без координации с центральным приемником. Сделав это, нам удалось бы сэкономить много энергии и избежать перегрузки нашего центрального приемного узла менее значимыми данными».
Эта схема радиочастотной передачи также делает систему масштабируемой и решает общую проблему современных сетей сенсорной связи: для хорошей работы все они должны быть идеально синхронизированы.
Запись в Природная электроникаИсследовательская группа описывает новый подход к созданию сети беспроводной связи, которая может эффективно передавать, получать и декодировать данные с тысяч микроэлектронных чипов, каждый из которых не больше крупинки соли. Фото: Ник Дентамаро/Университет Брауна.
Исследователи говорят, что эта работа знаменует собой значительный шаг вперед в технологии крупномасштабных беспроводных датчиков и может однажды помочь ученым собирать и интерпретировать информацию с этих маленьких кремниевых устройств, особенно с учетом того, что электронные датчики стали повсеместными в результате развития современных технологий.
«Мы живем в мире датчиков», — сказал Арто Нурмикко, профессор Инженерной школы Брауна и старший автор исследования. «Они повсюду. Они, безусловно, есть в наших автомобилях, на многих местах работы и все чаще проникают в наши дома. Самая требовательная среда для этих датчиков всегда будет внутри человеческого тела».
Приложения в биомедицинских датчиках
Вот почему исследователи полагают, что система может помочь заложить основу для следующего поколения имплантируемых и носимых биомедицинских датчиков. В медицине растет потребность в микроустройствах, которые были бы эффективны, ненавязчивы и незаметны, но которые также работали бы как часть больших ансамблей и отображали физиологическую активность во всей области интересов.
«Это важная веха в плане разработки такого типа беспроводного микросенсора на основе шипов», — сказал Ли. «Если мы продолжим использовать традиционные методы, мы не сможем собирать данные с большим количеством каналов, которые потребуются этим приложениям в таких системах следующего поколения».
Событиями, которые датчики идентифицируют и передают, могут быть конкретные события, такие как изменения в окружающей среде, которую они отслеживают, включая колебания температуры или присутствие определенных веществ.
Датчики могут потреблять так мало энергии, поскольку внешние приемопередатчики подают беспроводное питание на датчики во время передачи данных — это означает, что им просто нужно находиться в пределах досягаемости энергетических волн, излучаемых приемопередатчиком, чтобы получить заряд. Эта способность работать без необходимости подключения к источнику питания или аккумулятору делает их удобными и универсальными для использования в самых разных ситуациях.
Команда спроектировала и смоделировала сложную электронику на компьютере и проработала несколько итераций изготовления для создания датчиков. Работа основана на предыдущих исследованиях лаборатории Нурмикко в Брауне, в которых был представлен новый вид системы нейронного интерфейса, названный «нейрозерна». Эта система использовала скоординированную сеть крошечных беспроводных датчиков для записи и стимуляции активности мозга.
«Эти чипы довольно сложны, как миниатюрные микроэлектронные устройства, и нам потребовалось некоторое время, чтобы прийти к этому», — сказал Нурмакко, который также является сотрудником Института наук о мозге Брауна Карни. «Объем работы и усилий, необходимых для настройки нескольких различных функций для управления электронной природой этих датчиков, которые по сути сжимаются до долей миллиметра кремниевого пространства, нетривиален».
Развитие и будущие направления
Исследователи продемонстрировали эффективность своей системы, а также насколько ее потенциально можно масштабировать. Они протестировали систему с использованием 78 датчиков в лаборатории и обнаружили, что могут собирать и отправлять данные с небольшим количеством ошибок, даже когда датчики передавали данные в разное время. С помощью моделирования они смогли показать, как расшифровывать данные, собранные из мозга приматов, с помощью около 8000 гипотетически имплантированных датчиков.
Исследователи говорят, что следующие шаги включают оптимизацию системы для снижения энергопотребления и изучение более широких приложений, выходящих за рамки нейротехнологий.
«Текущая работа обеспечивает методологию, которую мы можем использовать в дальнейшем», — сказал Ли.
Ссылка: «Асинхронная беспроводная сеть для сбора данных, управляемых событиями, от большого количества автономных датчиков», Джихун Ли, А-Хён Ли, Винсент Люнг, Фара Лайвалла, Мигель Анхель Лопес-Гордо, Лоуренс Ларсон и Арто Нурмикко, 19 марта 2024 г. , Природная электроника.
DOI: 10.1038/s41928-024-01134-y
Исследование финансировалось Национальные институты здоровья.