Носимые датчики уже широко распространены благодаря беспроводной технологии, которая позволяет передавать информацию о концентрации глюкозы, артериальном давлении, частоте сердечных сокращений и уровне физической активности человека. Большинство беспроводных датчиков сегодня обмениваются данными через встроенные чипы Bluetooth, которые питаются от небольших батареек. Ученые пытаются уменьшить энергопотребление и объем таких датчиков за счет новых технологий.
Недавно инженеры Массачусетского технологического института (США) разработали новый тип носимого датчика, который обменивается данными по беспроводной сети, не требуя встроенных микросхем или батарей. Научная статья вышла в журнале Science, о результатах рассказали в институте.
Дизайн датчика напоминает электронную кожу. Это гибкая полупроводниковая пленка, которая прилегает к телу, как скотч. Сердцем датчика является сверхтонкий слой из нитрида галлия, материала, который известен своими пьезоэлектрическими свойствами. То есть он может как генерировать электрический сигнал в ответ на механическое напряжение, так и механически вибрировать в ответ на электрический импульс.
У авторов технологии получилось использовать эти свойства нитрида галлия одновременно для сбора показаний и для беспроводной связи. Команда соединила чистые монокристаллические образцы нитрида галлия с проводящим слоем золота для усиления любого входящего или исходящего электрического сигнала. Нитрид галлия и золото имеют здесь толщину всего 250 нанометров — примерно в 100 раз тоньше, чем толщина человеческого волоса.
Устройство достаточно чувствительно, чтобы вибрировать, например, в ответ на сердцебиение человека, на соль в его поте. Вибрации материала создают электрический сигнал, который может быть прочитан находящимся поблизости приемником. Таким образом, устройство может передавать сенсорную информацию без использования чипа или батареи.
«Чипы требуют много энергии, но наше устройство может сделать систему очень легкой без каких-либо энергоемких чипов. Вы можете надеть его на свое тело, как повязку, и в сочетании с беспроводным считывателем на своем мобильном телефоне вы сможете по беспроводной сети отслеживать свой пульс, пот и другие биологические сигналы», — говорит один из авторов исследования Джихван Ким.
Исследователи рассматривают свои результаты как первый шаг к бесчиповым беспроводным датчикам, и они предполагают, что устройство может быть соединено с другими селективными мембранами для мониторинга других жизненно важных биомаркеров.
«Если вы замените сенсорную мембрану, то сможете обнаружить любой целевой биомаркер, такой как глюкоза или кортизол, связанный с уровнем стресса», — говорит соавтор Джун Мин Су.