Bärbara sensorer finns överallt tack vare trådlös teknik som gör att en persons glukoskoncentrationer, blodtryck, hjärtfrekvens och aktivitetsnivåer kan överföras sömlöst från sensor till smartphone för vidare analys.

De flesta trådlösa sensorer kommunicerar idag via inbyggda Bluetooth-chips som själva drivs av små batterier. Men dessa konventionella chips och kraftkällor kommer sannolikt att vara för skrymmande för nästa generations sensorer, som tar mindre, tunnare och mer flexibla former.

Nu har MIT-ingenjörer tagit fram en ny typ av bärbar sensor som kommunicerar trådlöst utan att kräva inbyggda chips eller batterier. Deras design, detaljerad i tidskriften Science , öppnar en väg mot chipfria trådlösa sensorer.

Teamets sensordesign är en form av elektronisk hud, eller "e-skin" - en flexibel, halvledande film som formar sig efter huden som elektronisk tejp. Hjärtat i sensorn är en ultratunn, högkvalitativ film av galliumnitrid, ett material som är känt för sina piezoelektriska egenskaper, vilket innebär att det både kan producera en elektrisk signal som svar på mekanisk belastning och mekaniskt vibrera som svar på en elektrisk impuls .

Forskarna fann att de kunde utnyttja galliumnitrids tvåvägs piezoelektriska egenskaper och använda materialet samtidigt för både avkänning och trådlös kommunikation.

I sin nya studie producerade teamet rena, enkristallina prover av galliumnitrid, som de parade ihop med ett ledande lager av guld för att öka alla inkommande eller utgående elektriska signaler. De visade att enheten var tillräckligt känslig för att vibrera som svar på en persons hjärtslag, såväl som saltet i svetten, och att materialets vibrationer genererade en elektrisk signal som kunde läsas av en närliggande mottagare. På detta sätt kunde enheten trådlöst överföra avkänningsinformation, utan behov av ett chip eller batteri.

"Chips kräver mycket kraft, men vår enhet skulle kunna göra ett system väldigt lätt utan att ha några chips som är energikrävande", säger studiens motsvarande författare, Jeehwan Kim, docent i maskinteknik och i materialvetenskap och teknik, och en huvudutredare i Research Laboratory of Electronics.

"Du kan sätta den på din kropp som ett bandage, och tillsammans med en trådlös läsare på din mobiltelefon kan du trådlöst övervaka din puls, svett och andra biologiska signaler."

Kims medförfattare inkluderar första författaren och före detta MIT postdoc Yeongin Kim, som nu är biträdande professor vid University of Cincinnati; medförfattare Jiyeon Han från det koreanska kosmetikaföretaget AMOREPACIFIC, vilket hjälpte till att motivera det aktuella arbetet; medlemmar av Kim Research Group vid MIT; och andra medarbetare vid University of Virginia, Washington University i St. Louis och flera institutioner över hela Sydkorea.

Ren resonans

Jeehwan Kims grupp utvecklade tidigare en teknik, kallad fjärrepitaxi, som de har använt för att snabbt odla och skala bort ultratunna, högkvalitativa halvledare från wafers belagda med grafen. Med denna teknik har de tillverkat och utforskat olika flexibla, multifunktionella elektroniska filmer.

I sin nya studie använde ingenjörerna samma teknik för att skala bort ultratunna enkristallina filmer av galliumnitrid, som i sin rena, defektfria form är ett mycket känsligt piezoelektriskt material.

Teamet försökte använda en ren film av galliumnitrid som både en sensor och en trådlös kommunikatör av akustiska ytvågor, som i huvudsak är vibrationer över filmerna. Mönstren för dessa vågor kan indikera en persons hjärtfrekvens, eller ännu mer subtilt, närvaron av vissa föreningar på huden, såsom salt i svett.

Forskarna antog att en galliumnitridbaserad sensor, fäst på huden, skulle ha sin egen inneboende, "resonanta" vibration eller frekvens som det piezoelektriska materialet samtidigt skulle omvandla till en elektrisk signal, vars frekvens en trådlös mottagare kunde registrera. Varje förändring av hudens tillstånd, till exempel från en accelererad hjärtfrekvens, skulle påverka sensorns mekaniska vibrationer och den elektriska signal som den automatiskt sänder till mottagaren.

"Om det finns någon förändring i pulsen, eller kemikalier i svett, eller till och med ultraviolett exponering för hud, kan all denna aktivitet förändra mönstret för ytakustiska vågor på galliumnitridfilmen", konstaterar Yeongin Kim. "Och känsligheten hos vår film är så hög att den kan upptäcka dessa förändringar."

Vågöverföring

För att testa sin idé tog forskarna fram en tunn film av ren, högkvalitativ galliumnitrid och parade ihop den med ett lager av guld för att förstärka den elektriska signalen. De deponerade guldet i mönstret av upprepade hantlar - en gallerliknande konfiguration som gav en viss flexibilitet till den normalt stela metallen. Galliumnitrid och guld, som de anser vara ett prov av elektronisk hud, är bara 250 nanometer tjockt – ungefär 100 gånger tunnare än bredden på ett människohår.

De placerade det nya e-skinet på volontärernas handleder och halsar och använde en enkel antenn, som hölls i närheten, för att trådlöst registrera enhetens frekvens utan att fysiskt kontakta själva sensorn. Enheten kunde känna av och trådlöst överföra förändringar i ytakustiska vågor av galliumnitrid på frivilligas hud relaterade till deras hjärtfrekvens.

Teamet parade också enheten med ett tunt jonavkännande membran - ett material som selektivt attraherar en måljon, och i det här fallet natrium. Med denna förbättring kunde enheten känna av och trådlöst överföra förändrade natriumnivåer när en volontär höll fast i en värmedyna och började svettas.

Forskarna ser deras resultat som ett första steg mot chipfria trådlösa sensorer, och de föreställer sig att den nuvarande enheten skulle kunna paras ihop med andra selektiva membran för att övervaka andra vitala biomarkörer.

"Vi visade natriumavkänning, men om du ändrar avkänningsmembranet kan du upptäcka vilken biomarkör som helst, som glukos eller kortisol relaterad till stressnivåer", säger medförfattare och MIT postdoc Jun Min Suh. "Det är en ganska mångsidig plattform." + Utforska vidare

Utveckling av högpresterande, högspänningsbärbara förskjutningssensorer