इंजीनियर बिना चिप्स के वायरलेस इलेक्ट्रॉनिक ‘स्किन’ का उत्पादन करते हैं

डिवाइस भारी चिप्स या बैटरी के उपयोग के बिना पल्स, पसीने और यूवी एक्सपोजर से जुड़े संकेतों को समझता है और वायरलेस रूप से प्रसारित करता है।

पहनने योग्य सेंसर यह वायरलेस तकनीक के लिए हर जगह धन्यवाद है जो आगे के विश्लेषण के लिए सेंसर से स्मार्टफोन तक किसी व्यक्ति की ग्लूकोज एकाग्रता, रक्तचाप, हृदय गति और गतिविधि स्तर को निर्बाध रूप से प्रसारित करता है।

अधिकांश वायरलेस सेंसर आज छोटी बैटरी पर चलने वाले अंतर्निहित ब्लूटूथ चिप्स के माध्यम से संचार करते हैं। लेकिन ये पारंपरिक चिप्स और बिजली की आपूर्ति अगली पीढ़ी के सेंसर के लिए बहुत भारी हो सकती है जो छोटे, पतले और अधिक लचीले रूपों में आते हैं।

अब, एमआईटी इंजीनियरों ने पहनने योग्य सेंसर की एक नई श्रेणी तैयार की है जो ऑनबोर्ड चिप्स या बैटरी की आवश्यकता के बिना वायरलेस तरीके से संचार करती है।उनके डिजाइन आज के जर्नल में विस्तृत हैं रसायन विज्ञानचिप मुक्त वायरलेस सेंसर के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।

टीम का सेंसर डिज़ाइन एक प्रकार की इलेक्ट्रॉनिक त्वचा या “ई-स्किन” है। यह एक लचीली अर्धचालक फिल्म है जो इलेक्ट्रॉनिक स्कॉच टेप की तरह त्वचा के अनुरूप होती है। सेंसर का दिल गैलियम नाइट्राइड की एक अति पतली, उच्च गुणवत्ता वाली फिल्म है, एक सामग्री जो इसके पीजोइलेक्ट्रिक गुणों के लिए जानी जाती है। यही है, वे यांत्रिक तनाव के जवाब में विद्युत संकेत उत्पन्न कर सकते हैं और विद्युत आवेगों के जवाब में यांत्रिक रूप से कंपन कर सकते हैं। .

शोधकर्ताओं ने पता लगाया है कि गैलियम नाइट्राइड के द्वि-दिशात्मक पीजोइलेक्ट्रिक गुणों का उपयोग एक साथ संवेदन और वायरलेस संचार दोनों के लिए सामग्री का उपयोग करने के लिए किया जा सकता है।

अपने नए काम में, टीम ने गैलियम नाइट्राइड का शुद्ध सिंगल-क्रिस्टल नमूना बनाया और इनपुट या आउटपुट इलेक्ट्रिकल सिग्नल को बढ़ाने के लिए इसे सोने की एक प्रवाहकीय परत के साथ जोड़ा। उन्होंने दिखाया कि डिवाइस किसी व्यक्ति के दिल की धड़कन या पसीने की लवणता के जवाब में कंपन करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील था, और सामग्री के कंपन ने एक विद्युत संकेत उत्पन्न किया जिसे पास के रिसीवर द्वारा पढ़ा जा सकता था। इस तरह, डिवाइस सक्षम था चिप या बैटरी की आवश्यकता के बिना सेंसिंग सूचना को वायरलेस तरीके से प्रसारित करने के लिए।

अध्ययन के प्रमुख लेखक ने कहा, “चिप्स को बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है, लेकिन हमारा उपकरण बिजली के भूखे चिप्स का उपयोग किए बिना सिस्टम को बहुत हल्का होने देता है।” मैकेनिकल इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के एक सहयोगी प्रोफेसर जीवन किम ने कहा। इलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान के वरिष्ठ शोधकर्ता। “इसे शरीर पर एक पट्टी की तरह पहना जा सकता है और एक मोबाइल फोन वायरलेस रीडर के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि वायरलेस तरीके से नाड़ी, पसीने और अन्य बायोसिग्नल्स की निगरानी की जा सके।”

किम के सह-लेखकों में पहले लेखक और पूर्व एमआईटी पोस्टडॉक येओंगिन किम शामिल हैं। येओंगिन किम वर्तमान में सिनसिनाटी विश्वविद्यालय में सहायक प्रोफेसर हैं। कोरियाई सौंदर्य प्रसाधन कंपनी AMOREPACIFIC के क्योदो समाचार लेखक जियॉन्ग हान ने उनकी वर्तमान नौकरी को प्रेरित करने में मदद की। एमआईटी में किम अनुसंधान समूह के सदस्य। वर्जीनिया विश्वविद्यालय, सेंट लुइस में वाशिंगटन विश्वविद्यालय और कोरिया भर में कई संस्थानों के अन्य सहयोगी।

शुद्ध प्रतिध्वनि

जीवन किम का समूह पहले रिमोट एपिटैक्सी, कि यह ग्राफीन-लेपित वेफर्स से अति-पतली, उच्च-गुणवत्ता वाले अर्धचालकों को तेजी से विकसित करने और छोड़ने के लिए नियोजित किया गया था। उन्होंने इस तकनीक का उपयोग विभिन्न प्रकार की लचीली और बहुक्रियाशील इलेक्ट्रॉनिक फिल्मों को बनाने और तलाशने के लिए किया।

अपने नए काम में, इंजीनियरों ने गैलियम नाइट्राइड की अल्ट्रा-पतली सिंगल-क्रिस्टल फिल्मों को छीलने के लिए उसी तकनीक का इस्तेमाल किया। गैलियम नाइट्राइड अपने शुद्ध, दोष मुक्त रूप में एक अत्यधिक संवेदनशील पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री है।

टीम ने सतह ध्वनिक तरंगों के लिए सेंसर और रेडियो ट्रांसमीटर दोनों के रूप में गैलियम नाइट्राइड की एक शुद्ध फिल्म का उपयोग करने पर विचार किया, जो अनिवार्य रूप से पूरे फिल्म में कंपन हैं। ये तरंग पैटर्न किसी व्यक्ति की हृदय गति का संकेत दे सकते हैं। अधिक सूक्ष्म, यह त्वचा में कुछ यौगिकों की उपस्थिति का भी संकेत दे सकता है, जैसे पसीने में लवण।

शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि एक त्वचा-बंधुआ गैलियम नाइट्राइड-आधारित सेंसर में एक अंतर्निहित “गुंजयमान” कंपन या आवृत्ति होगी जो पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री एक साथ एक विद्युत संकेत में परिवर्तित हो जाएगी, जिसकी आवृत्ति एक वायरलेस रिसीवर पंजीकृत कर सकती है। त्वचा की स्थिति में परिवर्तन, जैसे त्वरित हृदय गति, सेंसर के यांत्रिक कंपन और विद्युत संकेतों को प्रभावित करते हैं जो सेंसर स्वचालित रूप से रिसीवर को भेजता है।

“नाड़ी में परिवर्तन, पसीने में रसायन, और त्वचा के लिए यूवी जोखिम, ये सभी गतिविधियाँ गैलियम नाइट्राइड फिल्म पर सतह ध्वनिक तरंग पैटर्न को बदल सकती हैं। हाँ,” येओंगिन किम ने कहा। “और हमारी फिल्म की संवेदनशीलता इतनी अधिक है कि हम इन परिवर्तनों का पता लगा सकते हैं।”

तरंग संचरण

अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने शुद्ध, उच्च गुणवत्ता वाले गैलियम नाइट्राइड की एक पतली फिल्म बनाई और इसे विद्युत संकेत को बढ़ाने के लिए सोने की एक परत के साथ जोड़ा। उन्होंने सोने को दोहराए जाने वाले डंबल पैटर्न में जमा किया – एक जाली जैसा विन्यास जिसने सामान्य रूप से कठोर धातु को कुछ लचीलापन दिया। केवल 250 नैनोमीटर पर, यह मानव बाल की चौड़ाई का लगभग 1/100वां हिस्सा है।

स्वयंसेवक की कलाई और गर्दन पर एक नई ई-स्किन पहनी गई थी, और सेंसर को भौतिक रूप से स्पर्श किए बिना डिवाइस की आवृत्ति को वायरलेस रूप से पंजीकृत करने के लिए एक साधारण एंटीना का उपयोग निकटता में किया गया था। डिवाइस हृदय गति से संबंधित स्वयंसेवकों की त्वचा पर गैलियम नाइट्राइड की सतह ध्वनिक तरंगों में परिवर्तन को समझने और वायरलेस रूप से प्रसारित करने में सक्षम था।

टीम ने डिवाइस को एक ऐसी सामग्री के साथ भी जोड़ा जो चुनिंदा रूप से एक पतली आयन-संवेदी झिल्ली को आकर्षित करती है, इस मामले में सोडियम। इस वृद्धि ने डिवाइस को बदलते सोडियम स्तरों को समझने और वायरलेस तरीके से संचारित करने की अनुमति दी जब स्वयंसेवकों को थर्मल पैड पर रखा गया और पसीना आने लगा।

शोधकर्ता इस परिणाम को चिपलेस वायरलेस सेंसर की दिशा में पहले कदम के रूप में देखते हैं, और मानते हैं कि अन्य महत्वपूर्ण बायोमार्कर की निगरानी के लिए वर्तमान डिवाइस को अन्य चुनिंदा झिल्ली के साथ जोड़ा जा सकता है।

“हमने सोडियम सेंसिंग दिखाया, लेकिन सेंसिंग मेम्ब्रेन को बदलने से हमें ग्लूकोज और कोर्टिसोल जैसे लक्ष्य बायोमार्कर का पता लगाने की अनुमति मिलती है जो तनाव के स्तर से जुड़े होते हैं,” एमआईटी में एक पोस्टडॉक सह-लेखक जून मिन सुह कहते हैं। “यह एक बहुत ही बहुमुखी मंच है। “

जेनिफर चुओ द्वारा लिखित

चटनी: मेसाचुसेट्स प्रौद्योगिक संस्थान