Οι μικρές φορετές ή εμφυτεύσιμες ηλεκτρονικές συσκευές θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην παρακολούθηση της υγείας των ανθρώπων και στη διάγνωση ασθενειών, αλλά και να ανοίξουν το δρόμο για την ανάπτυξη βελτιωμένων και εξατομικευμένων θεραπειών. Ενώ οι επιστήμονες κάνουν όλο και περισσότερες προόδους στην κατασκευή αυτών των μικροσκοπικών και εύκαμπτων συσκευών, υπάρχουν ορισμένοι κίνδυνοι όπως η μόλυνση, η βλάβη των ιστών ή η απόρριψή τους από το ανοσοποιητικό σύστημα του σώματος.
Στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, οι επιστήμονες εργάζονται πάνω στην κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών που μοιάζουν με δέρμα για περισσότερο από μια δεκαετία. Πρόσφατα, ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που μοιάζουν με δέρμα, τα οποία είναι πέντε φορές μικρότερα από τα συμβατικά και λειτουργούν σε χίλιες φορές υψηλότερες ταχύτητες από τις προηγούμενες εκδόσεις. Τα κυκλώματα μπόρεσαν να τροφοδοτήσουν μια μικροοθόνη LED και να ανιχνεύσουν μια διάταξη Braille.
«Κάναμε ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός. Για πρώτη φορά, τα ελαστικά ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι πλέον αρκετά μικρά και γρήγορα για πολλές εφαρμογές», δήλωσε η Ζέναν Μπάο, καθηγήτρια Χημικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
«Ελπίζουμε ότι αυτό μπορεί να κάνει τους φορετούς αισθητήρες και τους εμφυτεύσιμους νευρικούς και εντερικούς ανιχνευτές πιο ευαίσθητους, ώστε να λειτουργούν περισσότερους αισθητήρες και ενδεχομένως να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια», πρόσθεσε.
Ο πυρήνας των κυκλωμάτων αποτελείται από ελαστικά τρανζίστορ τα οποία έχουν κατασκευαστεί από ημιαγώγιμους νανοσωλήνες άνθρακα και μαλακά ελαστικά ηλεκτρονικά υλικά που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο της Μπάο. Σε αντίθεση με το πυρίτιο, το οποίο είναι σκληρό και εύθραυστο, οι νανοσωλήνες άνθρακα που παρεμβάλλονται μεταξύ ελαστικών υλικών, έχουν μια δομή σαν δίχτυ που τους επιτρέπει να συνεχίσουν να λειτουργούν καθώς τεντώνονται και παραμορφώνονται. Τα τρανζίστορ και τα κυκλώματα σχεδιάζονται πάνω σε ένα ελαστικό υπόστρωμα, μαζί με ελαστικό ημιαγωγό, αγωγό και διηλεκτρικό υλικό.
Σε ένα πείραμα, οι ερευνητές οι ερευνητές κατάφεραν να χωρέσουν περισσότερους από 2.500 αισθητήρες και τρανζίστορ σε ένα τετραγωνικό εκατοστό, δημιουργώντας μια διάταξη ενεργού πίνακα αφής πάνω από δέκα φορές πιο ευαίσθητη από τις άκρες των δακτύλων μας. Οι ερευνητές έδειξαν ότι η συστοιχία αισθητήρων μπορεί να ανιχνεύει τις θέσεις και τον προσανατολισμό μικροσκοπικών σχημάτων ή να αναγνωρίζει ολόκληρες λέξεις σε γραφή Braille.
«Είναι αποτέλεσμα πολλών ετών ανάπτυξης υλικών και μηχανικής», δήλωσε η ερευνήτρια. «Δεν χρειαζόταν μόνο να αναπτύξουμε νέα υλικά, αλλά και τον σχεδιασμό του κυκλώματος και τη διαδικασία κατασκευής των κυκλωμάτων. Υπάρχουν πολλά στρώματα στοιβαγμένα και αν ένα από αυτά δεν λειτουργεί, πρέπει να ξεκινήσουμε από την αρχή» πρόσθεσε.
Η μικροοθόνη LED ανανεώνει τις εικόνες 60 φορές το δευτερόλεπτο, όπως ακριβώς κάθε υπολογιστής ή τηλεόραση. Οι παλαιότερες εκδόσεις αυτών των κυκλωμάτων δεν ήταν αρκετά γρήγορες για αυτές τις εργασίες, εξήγησαν οι ερευνητές.
«Είμαστε πραγματικά ενθουσιασμένοι με αυτές τις βελτιώσεις στις επιδόσεις επειδή μας επιτρέπουν να κάνουμε πολλά νέα πράγματα», δήλωσε ο Καν Γου, ερευνητής στο εργαστήριο της Μπάο και συν-συγγραφέας της μελέτης.
«Μια διάταξη αισθητήρων υψηλής πυκνότητας, η οποία θα είναι μαλακή και εύκαμπτη θα μας επέτρεπε να ανιχνεύσουμε τα σήματα του ανθρώπινου σώματος, σε μεγάλη κλίμακα και υψηλή ανάλυση. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή επόμενης γενιάς που θα είναι και υψηλής απόδοσης και βιοσυμβατές», πρόσθεσε ο Γου.
Η ομάδα πιστεύει ότι η εφεύρεσή της θα είναι σύντομα έτοιμη για εμπορική διάθεση. Ωστόσο, αντιμετωπίζει προβλήματα όπως οι ηλεκτρικές αλλαγές λόγω της κίνησης του σώματος και η προσθήκη προστασίας από την υγρασία για πρακτική χρήση.
«Υπάρχουν ακόμη προκλήσεις για το μέλλον αυτής της τεχνολογίας, αλλά οι πρόσφατες εξελίξεις ανοίγουν το δρόμο για συναρπαστικές βιοϊατρικές εφαρμογές των φορετών και εμφυτεύσιμων ηλεκτρονικών», σημείωσε η ερευνήτρια.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Nature».
