Stor och tung, surrande och pipende sjukhusrum visar att övervakning av en patients hälsostatus är en invasiv och obekväm process, i bästa fall, och en farlig process, som värst. Penn State-forskare vill ändra på det och göra biosensorer som kan göra hälsoövervakning mindre skrymmande, mer exakt – och mycket säkrare.

Nyckeln skulle vara att göra sensorer som är så töjbara och flexibla att de lätt kan integreras med människokroppens komplex, ändrade konturer, sa Larry Cheng, Dorothy Quiggle professor i teknik och en filial till Institutet för beräknings- och datavetenskap. Hans labb gör framsteg med att designa sensorer som kan göra just det.

Om biosensorer som är både energieffektiva och töjbara kan uppnås i skala, forskarna föreslår att ingenjörer kan fortsätta — och, i vissa fall, redan eftersträvar — en rad alternativ för sensorer som kan bäras på kroppen, eller till och med placerad inuti kroppen. Utdelningen skulle vara smartare, effektivare och mer personlig medicinsk behandling och förbättrat hälsobeslutsfattande – utan mycket skrymmande, surrande och pipande delar av övervakningsutrustning.

Några av idéerna som forskare vid Penn State och runt om i världen undersöker inkluderar töjbara textilier som kan innehålla biosensorer. Pappersbaserade sensorer kan också potentiellt användas för att skapa smarta bandage som kan övervaka sårstatus. Tillfälliga tatueringar kan till och med innehålla biosensorer för hälsoövervakning. Till exempel, en biosensoraktiverad tatuering skulle kunna ge diabetespatienter omedelbara uppskattningar av deras glukosnivåer.

Forskarna släppte nyligen sin analys av den senaste utvecklingen inom flexibla och töjbara biosensorer.

Mer beräkningskraft

En antenn som kan överföra data är nyckelelementet för dessa biosensoridéer, sa Cheng, som också är medlem i Materials Research Institute i Penn State. Men det kan inte vara en vanlig antenn. En antenn i människokroppen skulle kräva att den inte bara är hållbar, klarar kroppens extrema förhållanden, men det måste också vara töjbart, så det kan passa konturerna av olika organ och vävnader i kroppen.

Att skapa dessa töjbara antenner kräver komplexa beräkningar för att modellera alla olika variationer som designen av sensorerna kan ta för att bestämma de bästa designerna. Och det betyder att bara designprocessen kräver mycket beräkningskraft, han lade till.

"Vi utforskar många olika mönster och design när vi undersöker dessa idéer, men detta kan skapa fler parametrar, " Cheng sa. "Detta kan bli ett problem eftersom det är svårt att hitta rätt design med alla olika parametrar. Det är därför vi behöver mer beräkningskraft—Denna ytterligare beräkningskraft kan hjälpa oss att leka med de olika parametrarna och ta reda på effekten av var och en. Sedan kan vi ta reda på hur vi kan optimera dem."

Teamet vill också se hur mekaniska och elektromagnetiska egenskaper förändras när enheten ändrar form.

"Vi måste utnyttja beräkningsresurserna för att designa denna effektiva antenn som kan vara töjbar, men, mer viktigt, med denna töjbara antenn, vi kan göra många saker för om vi vill få platsen där dessa sensorer sänder data, den här antennen är nyckelelementet som du inte kan komma runt, " han sa.

Och helt enkelt mer kraft

Nästa steg är att hitta sätt att driva sensorerna. Nuvarande batterier kan vara för stora och stela för att driva en sensor som kan fungera på eller i en människokropp, sa Cheng. Hans labb undersöker nu nya sätt att driva biosensorer.

Även om vi kanske tror att vi måste ansluta sensorn till en energikälla, Cheng sa att vi faktiskt är omgivna av naturliga och mänskligt skapade energikällor, kallas omgivande energi.

"Vårt arbete nu är också fokuserat på att skörda den omgivande energin, som kan inkludera Wi-Fi – 3-G, 4-G eller 5-G, eller till och med mikrovågskällor, " sa Cheng. "Med omgivande energi, den är alltid på, oavsett om du använder det eller inte, det är där. Även när du ska sova, det är där. Om vi ​​inte skördar den energin, det blir bara bortkastat."

Forskarnas design kräver en töjbar likriktarantenn, eller rektenna, som kan omvandla elektromagnetisk energi till likström. Cheng sa att det kanske kan driva enheten, eller ladda upp ett batteri som strömkälla.

Eftersom enheten har tillgång till ett bredare utbud av tillgänglig energi, de första resultaten visar att forskarnas design är cirka 10 till 100 gånger bättre än befintliga modeller.

"Om vi ​​bara skördade energin vid en enda frekvens, Det kommer, självklart, minimera mängden energi vi kan använda, men genom att skörda energin över ett brett band runt enheten, det kommer att förvärra effektiviteten, " sa Cheng.

Framtida riktningar:Pop-ups och organoider

I framtiden, Cheng sa att hans team kommer att fortsätta arbeta med biosensorer, men de undersöker också den potentiella integrationen av biosensorer med organoider, som är människoodlade, organspecifika vävnader utformade för att efterlikna funktionen hos naturliga organ. Cheng sa att organoider kunde användas för medicinska tester.

"Djurförsök används ganska ofta i medicinsk forskning, men testning i organoider skulle ge oss ett mycket mer etiskt alternativ, " han sa.

Cheng tillade att design av material som kan anta tredimensionella former är ännu ett område för framtida forskningsutforskning för gruppen. Dessa "popup"-designer kan infogas i ett målområde som en plan yta, men sedan förvandlas till en 3D-form. Dessa skulle kunna användas i framtida tillämpningar inom hälso- och sjukvårdsområdet, bland andra.