研究人員創(chuàng)造能夠與附近設(shè)備進(jìn)行被動(dòng)無(wú)線通信的納米紋身

伊斯坦布爾兩家機(jī)構(gòu)的研究人員創(chuàng)造了能夠與附近設(shè)備進(jìn)行被動(dòng)無(wú)線通信的納米紋身，而不需要電池等外部電源。這一進(jìn)步可能會(huì)推動(dòng)許多生物傳感技術(shù)的發(fā)展，到目前為止，這些技術(shù)一直因依賴龐大的外部電源或有線通信而受阻。

基于后向散射的納米紋身傳感器（backscattering-based nanotattoo sensor，BNTS）紋身由伊斯坦布爾葉迪特佩大學(xué)講師Kristen D.Belcastro和伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)電子與通信系研發(fā)副主任Onur Ergen開(kāi)發(fā)。

紋身由兩種墨水組成——在石墨烯氣凝膠導(dǎo)電墨水上嵌入納米線的氧化鋅墨水。這兩種墨水通過(guò)單獨(dú)的針同時(shí)涂在皮膚上。Ergen說(shuō)，含有納米線的墨水中也有一些氣凝膠，盡管其比例低于下層，因此，兩種墨水在接觸時(shí)會(huì)結(jié)合。

這些設(shè)備的無(wú)線通信依賴于壓電活動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)，隨著紋身的形狀變化，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就成為可能。紋身的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施使用智能手機(jī)從紋身上反射信號(hào)并接收數(shù)據(jù)，寬帶調(diào)制解調(diào)器作為輔助設(shè)備。在最近發(fā)表在《IEEE電子設(shè)備快報(bào)》上的研究人員的工作中，該系統(tǒng)分析了運(yùn)動(dòng)范圍。然而，Ergen表示，他們正在探索更多的用例。

ISTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY/IEEE

研究人員在論文中寫道：“當(dāng)彩繪標(biāo)簽接收到射頻（RF）信號(hào)時(shí)，它會(huì)反射一些信號(hào)，與智能手機(jī)閱讀器建立上行鏈路，而智能手機(jī)則與標(biāo)簽建立下行鏈路。通過(guò)這些通信鏈路，智能手機(jī)可以持續(xù)監(jiān)控BNTS，并使用人工智能算法處理信息?！?/p>

Ergen說(shuō)，這種被稱為環(huán)境反向散射的通信方法類似于RFID，但不依賴于有限數(shù)量的允許頻率。研究人員使用900兆赫和2.45千兆赫的寬帶調(diào)制解調(diào)器成功地從紋身中接收到信息。

Belcastro和Ergen創(chuàng)造的設(shè)備在原理上與其他電子紋身相似，不過(guò)，其中一個(gè)紋身的共同發(fā)明人表示，無(wú)線通信鏈路很有吸引力。

馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校即將上任的生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Dmitry Kireev說(shuō)：“有一個(gè)被動(dòng)無(wú)線紋身，可以從中獲取信息，這是引起我注意的關(guān)鍵。”作為得克薩斯大學(xué)的博士后研究員，Kireev共同創(chuàng)造了一個(gè)可以準(zhǔn)確測(cè)量血壓的石墨烯紋身。然而，盡管紋身既薄又靈活，Kireev表示，紋身目前所需的有線連接是制作真正便捷設(shè)備的一個(gè)相當(dāng)大的障礙。

Kireev說(shuō)：“我們自己所做的一切都面臨著互聯(lián)的挑戰(zhàn)，如果有一種方法可以完全無(wú)線地進(jìn)行通信，那么這是一個(gè)非常有趣的概念。”

Kireev還表示，這種新的分層設(shè)備可能有助于推進(jìn)石墨烯生物傳感器的通信研究，石墨烯生物傳感在實(shí)驗(yàn)室中非常受歡迎。

設(shè)備初創(chuàng)公司X-Cor Therapeutics負(fù)責(zé)技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的副總裁Nicholas X.Williams在杜克大學(xué)讀研究生時(shí)，共同開(kāi)發(fā)了一種類似于Belcastro和Ergen設(shè)備的電子薄膜。這兩種技術(shù)都直接在皮膚上創(chuàng)建了功能電路，而不是依賴于預(yù)先打印的傳感器，Williams表示，這可能會(huì)為傳感器市場(chǎng)帶來(lái)未來(lái)的定制發(fā)展。

Williams說(shuō)：“有很多用例，如果通過(guò)傳統(tǒng)方式制造，你則需要不同的傳感器和途徑來(lái)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的東西，而不是生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)或成人與兒童的東西。如果你有打印系統(tǒng)，你可以專門為你需要的用例生成一個(gè)文件，這樣就擴(kuò)展了功能，而不需要倉(cāng)庫(kù)里裝滿各種形狀、大小和預(yù)期用途的傳感器?！?/p>

更多醫(yī)療保健的可能性及超越

Ergen說(shuō)，他對(duì)紋身的研究正在擴(kuò)展到醫(yī)療保健的其他方面。目前的一項(xiàng)研究是如何使用紋身作為無(wú)線腦電圖傳感器。而且，盡管目前的版本使用身體部位的彎曲來(lái)產(chǎn)生接收環(huán)境信號(hào)所需的能量，但Ergen表示，其他方法也可能奏效。例如，Ergen和其他研究人員之前曾探索過(guò)使用汗液傳感器收集數(shù)據(jù)。

他說(shuō)：“然而，我們最近的工作尚未發(fā)表，可以使用反向散射技術(shù)在不需要電池的情況下分析汗液和唾液。我們預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)出版這項(xiàng)內(nèi)容?！?/p>

生物傳感設(shè)備只是埃爾根更大研究組合的一部分，該組合遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了醫(yī)療保健領(lǐng)域。Ergen最近獲得了歐洲研究委員會(huì)（European Research Council）140萬(wàn)歐元的撥款，用于探索通過(guò)量子電子工程重新設(shè)計(jì)電池。即使是紋身，在額外的聚合物封裝下已經(jīng)穩(wěn)定測(cè)試了四個(gè)多月，也可以部署在幾乎任何需要無(wú)線通信的場(chǎng)景中。

Ergen說(shuō)：“任何表面都可以用于此，它不僅限于人體。你可以把它放在汽車的任何地方 —— 這種不方便進(jìn)行診斷的地方。所有新車都有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。你可以在某個(gè)地方涂上這些東西并獲取數(shù)據(jù)。如果你用我們的傳感器涂在椅子上，你可以不斷獲得關(guān)于你坐姿的信息，也可以預(yù)測(cè)某個(gè)零件是否會(huì)因?yàn)槟愀杏X(jué)到了不舒適而損壞?！?br /> 責(zé)任編輯：彭菁