該設(shè)備無需笨重的芯片或電池即可感應(yīng)和無線傳輸與脈搏、汗液和紫外線照射相關(guān)的信號。

得益于無線技術(shù)，可穿戴傳感器無處不在，該技術(shù)使人的葡萄糖濃度、血壓、心率和活動水平能夠從傳感器無縫傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

如今，大多數(shù)無線傳感器通過嵌入式藍(lán)牙芯片進(jìn)行通信，這些芯片本身由小型電池供電。但是這些傳統(tǒng)的芯片和電源對于下一代傳感器來說可能太笨重了，下一代傳感器正在采用更小、更薄、更靈活的形式。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一種新型可穿戴傳感器，無需板載芯片或電池即可進(jìn)行無線通信。他們的設(shè)計(jì)今天在《科學(xué)》雜志上進(jìn)行了詳細(xì)介紹，為無芯片無線傳感器開辟了道路。

該團(tuán)隊(duì)的傳感器設(shè)計(jì)是一種電子皮膚或“e-skin”——一種像電子透明膠帶一樣貼合皮膚的柔性半導(dǎo)體薄膜。傳感器的核心是超薄、高質(zhì)量的氮化鎵薄膜，這種材料以其壓電特性而聞名，這意味著它既可以響應(yīng)機(jī)械應(yīng)變產(chǎn)生電信號，又可以響應(yīng)電脈沖產(chǎn)生機(jī)械振動.

研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以利用氮化鎵的雙向壓電特性，并將該材料同時(shí)用于傳感和無線通信。

在他們的新研究中，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了純凈的單晶氮化鎵樣品，并將其與金導(dǎo)電層配對，以增強(qiáng)任何傳入或傳出的電信號。他們表明，該設(shè)備足夠靈敏，可以根據(jù)人的心跳以及汗液中的鹽分進(jìn)行振動，并且該材料的振動會產(chǎn)生可以被附近的接收器讀取的電信號。通過這種方式，該設(shè)備能夠無線傳輸傳感信息，而無需芯片或電池。

該研究的通訊作者、機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程副教授 Jeehwan Kim 說：“芯片需要大量電力，但我們的設(shè)備可以使系統(tǒng)非常輕巧，而無需任何耗電的芯片?！焙碗娮友芯繉?shí)驗(yàn)室的首席研究員。“你可以把它像繃帶一樣貼在身上，與手機(jī)上的無線閱讀器配對，就可以無線監(jiān)測你的脈搏、汗水和其他生物信號?！?/span>

Kim 的合著者包括作者和前麻省理工學(xué)院博士后 Yeongin Kim，他現(xiàn)在是辛辛那提大學(xué)的助理教授；韓國化妝品公司 AMOREPACIFIC 的共同通訊作者 Jiyeon Han，這有助于推動當(dāng)前的工作；麻省理工學(xué)院 Kim 研究小組的成員；和弗吉尼亞大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)以及韓國多個(gè)機(jī)構(gòu)的其他合作者。

純共振

Jeehwan Kim 的團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)了一種稱為遠(yuǎn)程外延的技術(shù)，他們已使用該技術(shù)從涂有石墨烯的晶片上快速生長和剝離超薄、高質(zhì)量的半導(dǎo)體。利用這種技術(shù)，他們制造并探索了各種柔性、多功能的電子薄膜。

在他們的新研究中，工程師們使用相同的技術(shù)剝離了氮化鎵的超薄單晶薄膜，這種薄膜以其純凈、無缺陷的形式是一種高度敏感的壓電材料。

該團(tuán)隊(duì)希望使用純氮化鎵薄膜作為表面聲波的傳感器和無線通信器，表面聲波本質(zhì)上是薄膜上的振動。這些波的模式可以表明一個(gè)人的心率，或者更微妙地表明皮膚上某些化合物的存在，例如汗液中的鹽分。

研究人員假設(shè)，附著在皮膚上的氮化鎵傳感器將具有其自身固有的“共振”振動或頻率，壓電材料會同時(shí)將其轉(zhuǎn)換為電信號，無線接收器可以記錄該頻率。皮膚狀況的任何變化，例如心率加快，都會影響傳感器的機(jī)械振動，以及它自動傳輸?shù)浇邮掌鞯碾娦盘枴?nbsp;

“如果脈搏、汗液中的化學(xué)物質(zhì)，甚至皮膚受到紫外線照射有任何變化，所有這些活動都會改變氮化鎵薄膜上的表面聲波模式，”Yeongin Kim 指出。“而且我們膠片的靈敏度非常高，可以檢測到這些變化?！?/span>

波傳輸

為了驗(yàn)證他們的想法，研究人員制作了一層純優(yōu)質(zhì)氮化鎵薄膜，并將其與一層金配對以增強(qiáng)電信號。他們以重復(fù)啞鈴的形式沉積黃金——一種格子狀的結(jié)構(gòu)，為通常剛性的金屬賦予了一定的柔韌性。他們認(rèn)為是電子皮膚樣本的氮化鎵和金的厚度僅為 250 納米，比人類頭發(fā)的寬度薄約 100 倍。

他們將新的電子皮膚放在志愿者的手腕和脖子上，并使用放在附近的簡單天線無線記錄設(shè)備的頻率，而無需物理接觸傳感器本身。該設(shè)備能夠感應(yīng)并無線傳輸志愿者皮膚上氮化鎵表面聲波與心率相關(guān)的變化。

該團(tuán)隊(duì)還將該設(shè)備與薄離子傳感膜配對 - 一種選擇性吸引目標(biāo)離子的材料，在這種情況下是鈉。通過這種增強(qiáng)功能，該設(shè)備可以感應(yīng)并無線傳輸變化的鈉含量，因?yàn)橹驹刚呶兆釅|并開始出汗。

研究人員將他們的結(jié)果視為邁向無芯片無線傳感器的步，他們設(shè)想當(dāng)前的設(shè)備可以與其他選擇性膜配對以監(jiān)測其他重要的生物標(biāo)志物。

“我們展示了鈉傳感，但如果你改變傳感膜，你可以檢測到任何目標(biāo)生物標(biāo)志物，如葡萄糖或與壓力水平相關(guān)的皮質(zhì)醇，”合著者和麻省理工學(xué)院博士后 Jun Min Suh 說。“這是一個(gè)多功能的平臺?！?/span>

這項(xiàng)研究得到了愛茉莉太平洋的支持。