این تراشه‌ های کوچک فناوری پزشکی را متحول می‌کنند

اخیرا محققان با روشی نوآورانه، فناوری حسگرهای بی‌سیم را با استفاده از تراشه های کوچک توسعه داده اند و دریچه ای جدید را برای استفاده از تعداد زیادی از حسگرهای ساده در میکرودستگاه‌های زیست پزشکی قابل کاشت و پوشیدنی در آینده، گشودند.

به گزارش تکناک، برای گروهی از دانشمندان دانشگاه براون، تراشه‌های کوچک یک پیشرفت بزرگ به حساب می‌آیند.

این گروه تحقیقاتی در مجله Nature Electronics رویکرد جدیدی را برای یک شبکه ارتباطی بی‌سیم توصیف می‌کنند که می‌تواند داده‌های هزاران تراشه میکروالکترونیکی را که هر کدام اندازه یک دانه نمک هستند، به‌طور موثر انتقال، دریافت و رمزگشایی کند.

این شبکه حسگر طوری طراحی شده است که با آن می‌توان تراشه‌ها را در بدن کاشته یا آنها را در دستگاه‌های پوشیدنی ادغام کرد. هر حسگر سیلیکونی به اندازه کمتر از میلی‌متر، نحوه ارتباط نورون‌های مغز از طریق جرقه‌های فعالیت الکتریکی را تقلید می‌کند. این حسگرها، رویدادهای خاص را به عنوان اسپایک تشخیص می‌دهند و سپس آن داده‌ها را به‌صورت بی‌سیم در زمان واقعی با استفاده از امواج رادیویی منتقل می‌کنند و در مصرف انرژی و پهنای باند صرفه جویی می‌کنند.

انتقال کارآمد داده با الهام از مغز

دکتر جیهون لی، نویسنده اصلی این مطالعه گفت: مغز ما به روشی بسیار پراکنده کار می‌کند. نورون‌ها همیشه اطلاعات را شلیک نمی‌کنند. آنها داده‌ها را فشرده می‌کنند و به صورت پراکنده آنها را شلیک می‌کنند تا بسیار کارآمد باشند. ما در اینجا در رویکرد مخابرات بی‌سیم خود از آن ساختار تقلید کردیم.

سنسورها همیشه داده‌ها را ارسال نمی‌کنند. آنها فقط داده‌های مربوطه را در صورت نیاز به عنوان انفجارهای کوتاه الکتریکی ارسال می‌کنند و می‌توانند این کار را مستقل از سنسورهای دیگر و بدون هماهنگی با گیرنده مرکزی انجام دهند. با انجام این کار، می‌توانیم در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنیم و از پرکردن مرکز گیرنده مرکزی خود با داده‌های کم‌معنا جلوگیری کنیم.

این طرح انتقال فرکانس رادیویی، سیستم را مقیاس‌پذیر می‌کند و با یک مشکل رایج در شبکه‌های ارتباطی حسگرهای فعلی که همه آنها باید کاملاً همگام شوند تا خوب کار کنند، مقابله می‌کند.

محققان می‌گویند که این کار نشان‌دهنده یک گام مهم رو به جلو در فناوری حسگرهای بی‌سیم در مقیاس بزرگ است و ممکن است روزی به شکل‌گیری چگونگی جمع‌آوری و تفسیر اطلاعات توسط دانشمندان از این دستگاه‌های کوچک سیلیکونی کمک کند؛ به خصوص که امروزه حسگرهای الکترونیکی در نتیجه فناوری مدرن در همه جا حضور دارند.

آرتو نورمیکو، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: ما در دنیایی از حسگرها زندگی می‌کنیم. آنها همه جا هستند. آنها مطمئناً در اتومبیل‌های و بسیاری از محیط‌های کار هستند و به‌طور فزاینده‌ای وارد خانه‌های ما می‌شوند. سخت‌ترین محیط برای این حسگرها همیشه در داخل بدن انسان خواهد بود.

کاربردها در حسگرهای زیست پزشکی

به همین دلیل است که محققان بر این باورند که این سیستم می‌تواند به پایه‌گذاری نسل بعدی حسگرهای زیست پزشکی قابل کاشت و پوشیدنی کمک کند. در حوزه پزشکی، نیاز روزافزونی به میکرودستگاه‌هایی وجود دارد که کارآمد، ساده و غیرقابل توجه باشند، اما همچنین به عنوان بخشی از مجموعه‌ای بزرگ برای نقشه‌برداری فعالیت فیزیولوژیکی در کل منطقه مورد نظر عمل ‌کنند.

لی گفت: این یک نقطه عطف در توسعه واقعی این نوع میکروسنسور‌های بی‌سیم مبتنی بر اسپایک است. اگر به استفاده از روش‌های مرسوم ادامه دهیم، نمی‌توانیم داده‌هایی را که این برنامه‌ها در این نوع از سیستم‌های نسل بعدی نیاز دارند، جمع‌آوری کنیم.

رویدادهایی که حسگرها شناسایی و منتقل می‌کنند، می‌توانند رویدادهای خاصی مانند تغییرات در محیطی که تحت نظارت هستند از جمله نوسانات دما یا وجود مواد خاص باشند.

حسگرها می‌توانند مانند خودشان انرژی کمتری مصرف کنند، زیرا فرستنده‌های خارجی انرژی بی‌سیم را به سنسورها در حین انتقال داده‌هایشان تامین می‌کنند به این معنی که فقط باید در محدوده امواج انرژی ارسال شده توسط فرستنده و گیرنده قرار بگیرند تا شارژ شوند. این توانایی برای کار بدون نیاز به وصل شدن به منبع برق یا باتری، آنها را برای استفاده در بسیاری از شرایط مختلف، راحت و پر کاربرد می‌کند.

محققان، الکترونیک پیچیده را بر روی یک کامپیوتر طراحی و شبیه‌سازی کردند و از چندین نسخه برای ساخت این حسگرها استفاده کردند. این کار بر پایه تحقیقات قبلی آزمایشگاه Nurmikko در دانشگاه براون است که نوع جدیدی از سیستم رابط عصبی به نام neurograins را معرفی کرد. این سیستم از یک شبکه هماهنگ از حسگرهای بی‌سیم کوچک برای ضبط و تحریک فعالیت مغز استفاده می‌کند.

نورمیکو گفت: این تراشه‌ها به‌عنوان دستگاه‌های میکروالکترونیک مینیاتوری بسیار پیچیده هستند و مدتی طول کشید تا به اینجا برسیم. مقدار کار و تلاشی که برای سفارشی کردن چندین عملکرد مختلف در دستکاری ماهیت الکترونیکی این حسگرها لازم است که اساساً به کسری از یک میلی‌متر فضای سیلیکون فشرده می‌شوند، بسیار زیاد است.

توسعه و مسیرهای آینده

محققان کارایی سیستم خود را نشان دادند. آنها این سیستم را با استفاده از ۷۸ حسگر در آزمایشگاه آزمایش کردند و کشف کردند که می‌توانند داده‌ها را با خطاهای کمی جمع‌آوری و ارسال کنند، حتی زمانی که سنسورها در زمان‌های مختلف داده‌ها را ارسال می‌کردند. از طریق شبیه‌سازی، آنها توانستند نحوه رمزگشایی داده‌های جمع‌آوری‌شده از مغز پستانداران را با استفاده از حدود ۸۰۰۰ حسگر فرضی کاشته شده نشان دهند.

محققان می‌گویند گام‌های بعدی شامل بهینه‌سازی سیستم به‌منظور کاهش مصرف انرژی و کاوش در کاربردهای گسترده‌تر، فراتر از فناوری عصبی است.