Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 82

К оглавлению

Опубликовано16 августа 2011 года

В августовском номере известного научного журнала Science была представлена новая микроэлектронная технология, получившая название «эпидермальная электронная система», или, кратко, EES. Коллективным автором разработки является большая международная команда исследователей из США, Китая и Сингапура (Dae-Hyeong Kim, John A. Rogers et al. «Epidermal Electronics». Science 12 August 2011: Vol. 333, №6044, pp. 838-843).

Как говорит об этой разработке один из главных её создателей, профессор материаловедения и инжиниринга Иллинойского университета Джон Роджерс, «данная технология размывает различия между электроникой и биологией... Целью исследования было создание электронной технологии, которую можно было бы объединять с кожей таким образом, чтобы она механически и физиологически становилась по сути невидимой для пользователя».

Главная область приложений для новой технологии — это, конечно же, медицина.

Например, общеизвестно, что современные медицинские методы, применяемые для измерения показателей активности человеческого тела — такие, как электроэнцефалография (ЭЭГ), электрокардиография (ЭКГ) и электромиография (ЭМГ), — в основе своей опираются на электрические сигналы, регистрируемые в организме и отражающие перемены в мозге, сердце и мышечной активности соответственно.

К сожалению, все эти методы опираются на довольно громоздкие и некомфортные для организма электроды, которые крепятся к телу с применением липкой ленты и электропроводящего геля либо вообще с помощью игл, вводимых непосредственно в тело. Из-за таких электродов, которые раздражают кожу или организм в целом, подобного типа измерения обычно приходится ограничивать лишь краткими периодами времени и проводить исследования в условиях лаборатории или больницы.

Благодаря новой технологии ЭЭС практически все эти ограничения скоро могут стать делом прошлого. Авторы работы явно неслучайно назвали свой подход «эпидермальная электронная система», как бы желая подчеркнуть, что данное устройство по своим эксплуатационным характеристикам соответствует физическим свойствам внешнего слоя человеческой кожи. При этом толщина и гибкость устройства позволяют воспроизводить все особенности (морщины, складки и т.д.) того конкретного участка кожи, к которому прибор прикрепляется.

Все необходимые компоненты этих устройств, включая электроды, элементы электронной схемы (полупроводники, резисторы, конденсаторы), датчики, детали радиочастотной связи и источники питания, собраны на чрезвычайно тонкой (толщиной 30 микрометров) эластичной плёнке из полиэстера.

Элементы схемы, такие, как транзисторы, диоды и прочее, изготовлены из типичных для таких вещей материалов типа кремния и арсенида галлия. Практически любой из этих материалов в своём обычном виде является жёстким и хрупким. Чтобы сделать всё это хозяйство гибким и растягивающимся, команда применила особую обработку материалов.

Для формирования основы чипа бралась кремниевая «вафля» толщиной полмиллиметра, которая расщеплялась на чрезвычайно тонкие мембраны. Благодаря этому подходу кремниевая основа стала толщиной от 50 до 100 нанометров, чего уже достаточно для того, чтобы материал мог свободно изгибаться. Чтобы позволить кремниевой мембране ещё и растягиваться, исследователи вытравили в материале каналы змеевидной формы. Исполненные в такой же змеевидной форме, проводники-наноленты соединяют между собой все элементы схемы, так что в целом микромембране обеспечивается чрезвычайно тонкая и гибкая конструкция.

Как говорит Роджерс, металлические межсоединительные провода, контактные площадки, резисторы, антенны радиосвязи, элементы питания — практически всё удаётся смоделировать в такого вида формате. Все компоненты устройства сначала собираются вместе на листе полиамида, а затем схема уже целиком переносится на «дышащий» эластичный лист модифицированного полиэстера. Итоговая толщина этой слоёной конструкции (менее 50 микрон) оказывается меньше толщины человеческого волоса.

По свидетельствам тех участников команды, которые много экспериментировали с устройством на собственном теле, электронная наклейка по всем ощущениям оказывается такой же мягкой, как человеческая кожа. Благодаря этому удаётся применять простой и удобный метод прикрепления прибора к коже — как временную (переводную) татуировку. В такого рода татуировках вы плотно прижимаете переводной лист с картинкой к коже, а затем обильно смачиваете его для удаления подложки. Чтобы нанести на кожу тату ЭЭС, в качестве подложки примерно таким же образом используют растворимую водой поливинил-алкогольную (PVA) плёнку.

Ещё одна из примечательных особенностей новой технологии — это способность устройства прочно прикрепляться к коже безо всякого клея и липких материалов. В статье исследователей этот аспект объясняется так:

"Силы, именуемые ван-дер-ваальсовскими взаимодействиями, доминируют в области притягивания на молекулярном уровне, так что электронные тату приклеиваются к коже безо всяких клеев и остаются на месте на протяжении многих часов".

В первых экспериментальных приборах такого рода для энергопитания и приёма сигналов от татуировок использовались электрические провода. Затем, для несколько иных систем ограниченной функциональности, в схему были интегрированы источники питания и передающие антенны. Однако «окончательное» устройство (как называет это Роджерс), эффективно комбинирующее в себе сенсоры с источником питания и беспроводной системой передачи данных, ещё только предстоит создать в будущем.

Пока что в качестве встроенных источников питания были протестированы крошечные солнечные батареи и индуктивные катушки, преобразующие в электрический ток внешнее переменное электрическое поле (примерно тот же тип технологии, что используется в беспроводных зарядных устройствах). По оценкам Роджерса, индуктивные катушки выглядят как наилучший выбор для ограниченных по времени приложений. Для солнечных батарей, с другой стороны, требуются устройства накопления энергии, если от них ожидается надёжное долговременное обеспечение прибора электропитанием. Однако батареи, ясное дело, увеличивают вес устройства. По этой причине сейчас исследователи изучают ещё один вариант — аналогично наручным часам с автоподзаводом накапливать энергию от движений самого пациента, носящего на теле электронную «заплатку».