Подобная коже электроника может легко интегрироваться с телом для применения в мониторинге здоровья, медикаментозной терапии, имплантируемых медицинских устройствах и биологических исследованиях.

С помощью Центра предпринимательства и инноваций Польши Сихонг Ван, доцент кафедры молекулярной инженерии Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета, получил патенты на строительные блоки этих новых устройств.

Опираясь на инновации в области физики полупроводников, механики твердого тела и энергетических наук, эта работа включает создание растяжимых полимерных полупроводников и массивов транзисторов, которые обеспечивают исключительные электрические характеристики, высокие полупроводниковые свойства и механическую растяжимость. Кроме того, Ван разработал трибоэлектрические наногенераторы как новую технологию сбора энергии от движения пользователя и разработал соответствующий процесс накопления энергии.

Цель состоит в том, чтобы объединить эти достижения для разработки устройств, которые можно было бы прикрепить к коже пользователя или внутри тела для обнаружения жизненно важных сигналов в режиме реального времени «гораздо эффективнее», чем доступные в настоящее время варианты, сказал Ван, добавив, что эта работа была одной из самых Наиболее быстро развивающиеся области материаловедения и электронной техники.

«За последнее десятилетие это общее направление развития электроники, которая может работать более тесно с человеческим телом , действительно привлекло большое внимание академических кругов и промышленности», — сказал Ван. «Потому что люди увидели большой разрыв, а также большую возможность иметь электронику, которая работает для человеческого тела более интимным образом».

Воспользовавшись этой возможностью, Ван проводит свои исследования в нескольких направлениях. «Мы создали новую структуру и подали заявку на патент через Polsky на основе наших разработок нового типа датчика давления, который может растягиваться подобно коже, но не имеет изменений в характеристиках», — пояснил Ван.

Работая с коллегами Стейси Линдау, доктором медицины, магистром наук, профессором акушерства и гинекологии и медицины-гериатрии и директором исследовательской лаборатории в Отделе биологических наук, и Слиманом Бенсмайей, семейным профессором биологии и анатомии Джеймса и Карен Франк, Ван использование этого датчика для создания нейропротезной системы, которая будет имплантирована под кожу пациенткам после мастэктомии. Названный проектом «Бионическая грудь», цель состоит в том, чтобы восстановить чувствительность в области груди.

«Такие датчики могут работать аналогично чувствительным рецепторам в груди для восприятия физического контакта/движения путем преобразования его в электрический сигнал», — сказал Ван.

Эти датчики также могут быть использованы для разработки так называемой электронной кожи для мягких роботов, что даст им возможность чувствовать и воспринимать по-новому. Однако в ближайшие пять лет, по словам Вана, он ожидает, что результаты этой работы будут наиболее быстро применяться для устройства, которое извлекает несколько типов сигналов от тела, таких как пульс и артериальное давление. И они делают именно это.

Забегая вперед, цель состоит в том, чтобы обнаружить сигналы от различных биомаркеров пота.

«В современной медицинской практике единственный способ получить панель биохимической информации — это анализ крови, который является не только инвазивным, но и не мгновенным», — отметил Ван. «Это было бы еще одним большим изменением правил игры, позволяющим каждому получать информацию о состоянии своего здоровья гораздо более эффективным и частым способом». Ван недавно опубликовал первые две работы, в которых изложена стратегия создания эластичных биосенсоров с высокой чувствительностью и селективностью.

Растягивающиеся дисплеи и обработка данных на теле с помощью ИИ

Еще одним важным компонентом похожих на кожу устройств является гибкий дисплей для общения с пользователями. Для этого Ван и его группа разработали еще один важный новый тип материала: электролюминесцентные полимеры. Высокоэффективный полимер ярко излучает свет и сохраняет свои характеристики при растяжении.

Завершая работу, команда также изучает возможность сочетания устройств с искусственным интеллектом (ИИ).

«Мы думаем, что в будущем успех носимых устройств будет заключаться в их способности непрерывно извлекать и отслеживать информацию о состоянии здоровья человека», — сказал Ван. «Тогда сгенерированные данные будут действительно « большими данными » по сравнению с текущим моментом, когда есть только снимки отчета об испытаниях».

Как и в случае со всеми наборами данных , следующий вопрос заключается в том, как эффективно и с высокой пропускной способностью анализировать и извлекать полезную информацию о здоровье.

«Мы пытаемся разработать новый тип вычислительного устройства и платформы, которые могут действительно эффективно реализовать ИИ или алгоритм машинного обучения непосредственно на коже или на теле, не полагаясь на перемещение или передачу информации по беспроводной сети в центральное вычислительное место, такое как облако», объяснил Ван. «Анализ может быть намного быстрее, и вы не рискуете потерять очень личную информацию о здоровье из-за этих беспроводных передач».

Вычислительная платформа на основе полупроводников представляет собой «компьютер нейронной сети», вдохновленный тем, как работает мозг.

«В конечном счете, мы можем помочь создать точную медицину», — сказал Ван. «Для каждого человека данные, которые собирает устройство, могут быть проанализированы с помощью персонализированной программы, которая дает вам самые полезные и самые эффективные действия, обеспечивая вмешательство с обратной связью для контроля вашего здоровья».

В конце концов, цель состоит в том, чтобы создать нечто, имитирующее человеческий мозг не только по механическим свойствам, но и по тому, как он функционирует и работает. «В целом, до сих пор искусственный интеллект был больше областью исследований в области компьютерных наук, — сказал Ван. «Но для нас, материаловедов, мы работаем над этим под другим углом».

Исследование опубликовано в Advanced Materials and Matter.