Sićušni čipovi mogli bi da predstavljaju veliki napredak za tim naučnika predvođen inženjerima Univerziteta Braun. Pišući u Nature Electronics, istraživački tim opisuje novi pristup bežičnoj komunikacionoj mreži koja može efikasno da prenosi, prima i dekodira podatke sa hiljada mikroelektronskih čipova od kojih svaki nije veći od zrna soli.
Mreža senzora je dizajnirana tako da se čipovi mogu implantirati u telo ili integrisati u uređaje koji se mogu nositi. Svaki silicijumski senzor submilimetarske veličine oponaša način na koji neuroni u mozgu komuniciraju kroz skokove električne aktivnosti. Senzori detektuju specifične događaje kao skokove, a zatim te podatke prenose bežično u realnom vremenu koristeći radio talase, štedeći i energiju i propusni opseg.
„Naš mozak radi na veoma oskudan način“, rekao je Jihun Lee, postdoktorski istraživač u Braunu i glavni autor studije.
„Neuroni se ne aktiviraju stalno. Oni komprimuju podatke i retko se aktiviraju tako da su veoma efikasni. Mi ovde oponašamo tu strukturu u našem pristupu bežičnoj telekomunikaciji. Senzori ne bi slali podatke sve vreme – oni bi samo šalju relevantne podatke po potrebi kao kratke rafale električnih skokova, a mogli bi to da rade nezavisno od drugih senzora i bez koordinacije sa centralnim prijemnikom. Time bismo uspeli da uštedimo mnogo energije i izbegnemo poplave naše centralno čvorište prijemnika sa manje značajnim podacima.“
Ova šema radiofrekventnog prenosa takođe čini sistem skalabilnim i rešava uobičajeni problem sa trenutnim komunikacionim mrežama senzora: sve one moraju biti savršeno sinhronizovane da bi dobro funkcionisale.
Istraživači kažu da ovaj rad označava značajan korak napred u tehnologiji bežičnih senzora velikih razmera i da bi jednog dana mogao pomoći u oblikovanju načina na koji naučnici prikupljaju i tumače informacije sa ovih malih silicijumskih uređaja, posebno pošto su elektronski senzori postali sveprisutni kao rezultat moderne tehnologije.
„Živimo u svetu senzora“, rekao je Arto Nurmiko, profesor na Braunovoj školi inženjerstva i stariji autor studije.
„Oni su svuda. Oni su sigurno u našim automobilima, oni su na toliko radnih mesta i sve više ulaze u naše domove. Najzahtevnije okruženje za ove senzore će uvek biti unutar ljudskog tela.“
Zato istraživači veruju da sistem može pomoći u postavljanju temelja za sledeću generaciju implantabilnih i nosivih biomedicinskih senzora. U medicini postoji rastuća potreba za mikrouređajima koji su efikasni, nenametljivi i neprimetni, ali koji takođe funkcionišu kao deo velikog ansambla za mapiranje fiziološke aktivnosti u čitavoj oblasti interesovanja.
„Ovo je prekretnica u smislu stvarnog razvoja ove vrste bežičnog mikrosenzora zasnovanog na šiljcima“, rekao je Li. „Ako nastavimo da koristimo konvencionalne metode, ne možemo da prikupimo podatke visokog kanala koje će ove aplikacije zahtevati u ovim vrstama sistema sledeće generacije.“
Događaji koje senzori identifikuju i prenose mogu biti specifične pojave kao što su promene u okruženju koje prate, uključujući temperaturne fluktuacije ili prisustvo određenih supstanci.
Senzori su u stanju da koriste onoliko malo energije koliko i oni, jer spoljni primopredajnici snabdevaju senzorima bežičnu energiju dok prenose svoje podatke – što znači da samo treba da budu u dometu energetskih talasa koje šalje primopredajnik da bi dobili punjenje. Ova sposobnost da rade bez potrebe da budu uključeni u izvor napajanja ili bateriju čini ih praktičnim i raznovrsnim za upotrebu u mnogim različitim situacijama.
Tim je dizajnirao i simulirao složenu elektroniku na računaru i radio je kroz nekoliko iteracija proizvodnje kako bi stvorio senzore. Rad se zasniva na prethodnim istraživanjima iz Nurmikkoove laboratorije u Braunu koja su predstavila novu vrstu sistema neuronskog interfejsa pod nazivom „neurozrna“. Ovaj sistem je koristio koordiniranu mrežu sićušnih bežičnih senzora za snimanje i stimulisanje moždane aktivnosti.
„Ovi čipovi su prilično sofisticirani kao minijaturni mikroelektronski uređaji i trebalo nam je vremena da stignemo dovde“, rekao je Nurmiko, koji je takođe povezan sa Braunovim Karnijevim institutom za nauku o mozgu. „Količina rada i napora koji su potrebni za prilagođavanje nekoliko različitih funkcija u manipulisanju elektronskom prirodom ovih senzora – koji su u osnovi stisnuti na delić milimetarskog prostora silicijuma – nije trivijalan.
Istraživači su pokazali efikasnost svog sistema, kao i koliko bi on potencijalno mogao da se poveća. Testirali su sistem koristeći 78 senzora u laboratoriji i otkrili da su u stanju da prikupe i pošalju podatke sa nekoliko grešaka, čak i kada su senzori emitovali u različito vreme. Kroz simulacije, uspeli su da pokažu kako da dekodiraju podatke prikupljene iz mozga primata koristeći oko 8.000 hipotetički implantiranih senzora.
Istraživači kažu da sledeći koraci uključuju optimizaciju sistema za smanjenu potrošnju energije i istraživanje širih aplikacija izvan neurotehnologije.
„Trenutni rad pruža metodologiju na kojoj možemo dalje da gradimo“, rekao je Li.
