Hudliknande elektronik kan sömlöst integreras med kroppen för tillämpningar inom hälsoövervakning, läkemedelsbehandling, implanterbar medicinsk utrustning och biologiska studier.

Med hjälp av Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation har Sihong Wang, en biträdande professor i molekylär ingenjörskonst vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering, säkrat patent på byggstenarna i dessa nya enheter.

Med utgångspunkt i innovation inom halvledarfysik, solidmekanik och energivetenskap inkluderar detta arbete skapandet av sträckbara polymerhalvledare och transistormatriser, som ger exceptionell elektrisk prestanda, höga halvledande egenskaper och mekanisk sträckbarhet. Dessutom har Wang utvecklat triboelektriska nanogeneratorer som en ny teknik för att hämta energi från en användares rörelse – och designat den tillhörande energilagringsprocessen.

Målet är att kombinera dessa framsteg för att utveckla enheter som kan fästas på en användares hud eller inuti kroppen för att upptäcka vitala signaler i realtid "mycket mer" effektivt än de alternativ som finns för närvarande, sade Wang och tillade att detta arbete har varit bland de snabbast framskridande områden inom materialvetenskap och elektronikteknik.

"Under det senaste decenniet har denna övergripande riktning för att utveckla elektronik som kan arbeta mer intimt med människokroppen verkligen tilldragit sig mycket uppmärksamhet från akademin och industrin", säger Wang. "För att folk har sett den stora klyftan och även den stora möjligheten här att ha elektroniken som fungerar för människokroppen på ett mer intimt sätt."

Genom att ta denna möjlighet tar Wang sin forskning åt flera håll. "Vi skapade en ny struktur och lämnade in ett patent genom Polsky baserat på vår utveckling för en ny typ av trycksensor, som kan sträcka sig likt huden men inte har en förändring i prestanda," förklarade Wang.

Arbetar med kollegor Stacy Lindau, MD, MA, professor i obstetrik och gynekologi och medicin-geriatrik och chef för ett forskningslabb i Biological Sciences Division, och Sliman Bensmaia, James och Karen Frank familjeprofessor i organismbiologi och anatomi, Wang är använder denna sensor för att skapa ett neuralt-protetiskt system som skulle implanteras under huden på mastektomipatienter. Kallas Bionic Breast Project, syftet är att återställa känseln i bröstområdet.

"Sådana sensorer kan fungera på samma sätt som avkänningsreceptorerna i bröstet för att känna av fysisk kontakt/rörelse genom att omvandla det till en elektrisk signal", sa Wang.

Dessa sensorer kan också användas för att utveckla så kallad elektronisk hud för mjuk robotik, vilket ger dem förmågan att känna och uppfatta på nya sätt. Under de kommande fem åren sa Wang dock att han förväntar sig att de mest omedelbara tillämpningarna av detta arbete skulle vara för en enhet som extraherar flera typer av signaler från kroppen, såsom puls och blodtryck. Och de gör just det.

Framöver är målet att upptäcka signaler från olika biomarkörer i svett.

"I den nuvarande medicinska praktiken är det enda sättet att få en panel av biokemisk information genom ett blodprov, som inte bara är invasivt utan inte omedelbart", konstaterade Wang. "Detta skulle vara ytterligare en stor förändring för hur alla kan få sin hälsostatus på ett mycket mer effektivt och frekvent sätt." Wang publicerade nyligen de två första verken som beskriver strategin för att uppnå töjbara biosensorer med hög känslighet och selektivitet.

Sträckbara skärmar och kroppsdatabehandling med AI

En annan viktig komponent i hudliknande enheter är en flexibel display för att kommunicera med användare. För detta har Wang och hans grupp utvecklat en annan viktig ny typ av material:elektroluminescerande polymerer. Polymeren är mycket effektiv och avger starkt ljus och bibehåller prestanda medan den är sträckt.

Som avrundning av arbetet undersöker teamet också kombinationen av enheterna med artificiell intelligens (AI).

"Vi tänker mot framtiden, framgången för bärbara enheter kommer att ligga i deras förmåga att kontinuerligt extrahera och övervaka hälsoinformation från människokroppen," sa Wang. "Då kommer den data som genereras verkligen att vara "big data" jämfört med nu, bara med ögonblicksbilder av en testrapport."

Som med alla datauppsättningar är nästa fråga hur man effektivt och på ett sätt med hög genomströmning analyserar och extraherar användbar hälsoinformation.

"Vi försöker utveckla en ny typ av datorenhet och plattform som verkligen effektivt kan implementera AI eller maskininlärningsalgoritm direkt på huden eller på kroppen utan att förlita sig på att flytta eller överföra information trådlöst till en central datorplats, som molnet." förklarade Wang. "Analys kan vara mycket snabbare och du har inte risken att förlora mycket privat hälsoinformation från dessa trådlösa överföringar."

Den halvledarbaserade datorplattformen är en "neural nätverksdator", inspirerad av hur hjärnan fungerar.

"I slutändan kan vi hjälpa till att uppnå precisionsmedicin," sa Wang. "För varje individ kan data som enheten samlar in analyseras genom ett personligt program som ger dig de mest användbara och mest effektiva sakerna att göra, vilket ger en sluten slinga intervention för att kontrollera din hälsa."

Så småningom är målet att skapa något som efterliknar den mänskliga hjärnan inte bara i mekaniska egenskaper utan också i hur den fungerar och fungerar. "Totalt sett har AI fram till nu mer varit ett datavetenskapligt forskningsområde," sa Wang. "Men för oss som materialvetare arbetar vi med det här från en annan vinkel."

Forskningen visas i Avancerat material och Materia . + Utforska vidare

Stretchig datorenhet känns som hud – men analyserar hälsodata med hjärnhärmande artificiell intelligens