Кивино гнездо: Татуировка-микросхема

АрхивКивино гнездо

Сверхтонкие электронные наклейки, наносимые на кожу, словно временная тату, – новое слово в медицине, компьютерных играх и шпионских технологиях.

В августовском номере известного научного журнала Science была представлена новая микроэлектронная технология, получившая название "эпидермальная электронная система", или, кратко, EES. Коллективным автором разработки является большая международная команда исследователей из США, Китая и Сингапура (Dae-Hyeong Kim, John A. Rogers et al. "Epidermal Electronics". Science 12 August 2011: Vol. 333, №6044, pp. 838-843).

Как говорит об этой разработке один из главных её создателей, профессор материаловедения и инжиниринга Иллинойского университета Джон Роджерс, "данная технология размывает различия между электроникой и биологией... Целью исследования было создание электронной технологии, которую можно было бы объединять с кожей таким образом, чтобы она механически и физиологически становилась по сути невидимой для пользователя".

Главная область приложений для новой технологии - это, конечно же, медицина.

Например, общеизвестно, что современные медицинские методы, применяемые для измерения показателей активности человеческого тела - такие, как электроэнцефалография (ЭЭГ), электрокардиография (ЭКГ) и электромиография (ЭМГ), - в основе своей опираются на электрические сигналы, регистрируемые в организме и отражающие перемены в мозге, сердце и мышечной активности соответственно.

К сожалению, все эти методы опираются на довольно громоздкие и некомфортные для организма электроды, которые крепятся к телу с применением липкой ленты и электропроводящего геля либо вообще с помощью игл, вводимых непосредственно в тело. Из-за таких электродов, которые раздражают кожу или организм в целом, подобного типа измерения обычно приходится ограничивать лишь краткими периодами времени и проводить исследования в условиях лаборатории или больницы.

Благодаря новой технологии ЭЭС практически все эти ограничения скоро могут стать делом прошлого. Авторы работы явно неслучайно назвали свой подход "эпидермальная электронная система", как бы желая подчеркнуть, что данное устройство по своим эксплуатационным характеристикам соответствует физическим свойствам внешнего слоя человеческой кожи. При этом толщина и гибкость устройства позволяют воспроизводить все особенности (морщины, складки и т.д.) того конкретного участка кожи, к которому прибор прикрепляется.

Все необходимые компоненты этих устройств, включая электроды, элементы электронной схемы (полупроводники, резисторы, конденсаторы), датчики, детали радиочастотной связи и источники питания, собраны на чрезвычайно тонкой (толщиной 30 микрометров) эластичной плёнке из полиэстера.

Элементы схемы, такие, как транзисторы, диоды и прочее, изготовлены из типичных для таких вещей материалов типа кремния и арсенида галлия. Практически любой из этих материалов в своём обычном виде является жёстким и хрупким. Чтобы сделать всё это хозяйство гибким и растягивающимся, команда применила особую обработку материалов.

Для формирования основы чипа бралась кремниевая "вафля" толщиной полмиллиметра, которая расщеплялась на чрезвычайно тонкие мембраны. Благодаря этому подходу кремниевая основа стала толщиной от 50 до 100 нанометров, чего уже достаточно для того, чтобы материал мог свободно изгибаться. Чтобы позволить кремниевой мембране ещё и растягиваться, исследователи вытравили в материале каналы змеевидной формы. Исполненные в такой же змеевидной форме, проводники-наноленты соединяют между собой все элементы схемы, так что в целом микромембране обеспечивается чрезвычайно тонкая и гибкая конструкция.

Как говорит Роджерс, металлические межсоединительные провода, контактные площадки, резисторы, антенны радиосвязи, элементы питания - практически всё удаётся смоделировать в такого вида формате. Все компоненты устройства сначала собираются вместе на листе полиамида, а затем схема уже целиком переносится на "дышащий" эластичный лист модифицированного полиэстера. Итоговая толщина этой слоёной конструкции (менее 50 микрон) оказывается меньше толщины человеческого волоса.

По свидетельствам тех участников команды, которые много экспериментировали с устройством на собственном теле, электронная наклейка по всем ощущениям оказывается такой же мягкой, как человеческая кожа. Благодаря этому удаётся применять простой и удобный метод прикрепления прибора к коже - как временную (переводную) татуировку. В такого рода татуировках вы плотно прижимаете переводной лист с картинкой к коже, а затем обильно смачиваете его для удаления подложки. Чтобы нанести на кожу тату ЭЭС, в качестве подложки примерно таким же образом используют растворимую водой поливинил-алкогольную (PVA) плёнку.

Ещё одна из примечательных особенностей новой технологии - это способность устройства прочно прикрепляться к коже безо всякого клея и липких материалов. В статье исследователей этот аспект объясняется так:

"Силы, именуемые ван-дер-ваальсовскими взаимодействиями, доминируют в области притягивания на молекулярном уровне, так что электронные тату приклеиваются к коже безо всяких клеев и остаются на месте на протяжении многих часов".

В первых экспериментальных приборах такого рода для энергопитания и приёма сигналов от татуировок использовались электрические провода. Затем, для несколько иных систем ограниченной функциональности, в схему были интегрированы источники питания и передающие антенны. Однако "окончательное" устройство (как называет это Роджерс), эффективно комбинирующее в себе сенсоры с источником питания и беспроводной системой передачи данных, ещё только предстоит создать в будущем.

Пока что в качестве встроенных источников питания были протестированы крошечные солнечные батареи и индуктивные катушки, преобразующие в электрический ток внешнее переменное электрическое поле (примерно тот же тип технологии, что используется в беспроводных зарядных устройствах). По оценкам Роджерса, индуктивные катушки выглядят как наилучший выбор для ограниченных по времени приложений. Для солнечных батарей, с другой стороны, требуются устройства накопления энергии, если от них ожидается надёжное долговременное обеспечение прибора электропитанием. Однако батареи, ясное дело, увеличивают вес устройства. По этой причине сейчас исследователи изучают ещё один вариант - аналогично наручным часам с автоподзаводом накапливать энергию от движений самого пациента, носящего на теле электронную "заплатку".

Для демонстрации возможностей новой технологии исследователи применяли свои устройства на различных участках тела: на груди для измерения сердцебиений (ЭКГ), на руке или ноге для измерения сокращения мышц (ЭМГ); на лбу для измерения альфа-волн мозга (ЭЭГ). Все результаты измерений оказались весьма высокого качества и хорошо сравнимыми с традиционными измерениями в тех же самых местах, проводимыми с помощью электродов и проводящего геля.

В дополнение к традиционным формам обследования, эти устройства применялись также для непрерывного снятия данных с организма на протяжении 6 часов. В целом же, как показали эксперименты, такого рода приборы можно носить на теле все 24 часа в сутки без какой-либо деградации техники или раздражения кожи (если "тату" не удалять, то естественное отпадание заплатки происходит вместе с обычным процессом отмирания и отслаивания клеток поверхностного слоя кожи).

Поскольку в принципе данная технология позволяет встраивать в схему самые разнообразные электронные элементы, область применения прибора далеко не ограничивается измерениями электрической активности организма. Микродатчики позволяют измерять температуру, давление и прочие важные для физиологического состояния параметры. Очень большой потенциал видится для устройства при деликатных воздействиях на организм - таких, как лечение расстройств сна или мониторинг состояния младенцев, нуждающихся в особом уходе из-за преждевременного рождения. Или пример другого назначения - для изготовления электронных бандажей, помогающих лечить кожу от ран и ожогов.

Ещё одна интересная демонстрация, которая также предполагает будущие разнообразные приложения технологии, заключалась в измерении активности горловых мышц, обеспечивающих работу речевого аппарата человека во время разговоров. Различные слова порождают разные сигнатуры, а программа компьютерного анализа позволила авторам по форме этих сигналов определять конкретные слова, которые использует говорящий в своей речи.

Для наглядности команда подсоединила один из таких датчиков к несложной компьютерной игре (Сокобан) и использовала напряжение горловых мышц вместо традиционной клавиатуры - в качестве контроллера системы управления. В демонстрационной установке на распознавание каждого слова уходило около 3 секунд работы программы из пакета MATLAB, а достигаемая при этом точность распознавания составляла свыше 90 процентов. Подобный результат вряд ли можно назвать блестящим, однако уже здесь можно углядеть практически необозримый потенциал для применения в видеоиграх.

Кроме того, для подобного рода интерфейса "человек/компьютер" можно также представить и другие области приложений. Поскольку в данном случае слова речи не обязательно произносить с напряжением голосовых связок, становятся возможными средства беззвучных коммуникаций для спецподразделений в тайных операциях, более эффективное ПО для распознавания речи или, наконец, вспомогательные технологии для пациентов с нарушенной функцией речи из-за повреждений позвоночника или нейродегенеративных заболеваний.

В целом же авторы новой технологии предполагают, что для EES имеется гигантcкое множество приложений - от дистанционного медицинского мониторинга пациентов и удобных интерфейсов "человек-машина" до интеллектуальных биологических и химических датчиков.

Есть также, впрочем, и несколько областей, где технология явно требует дальнейших усовершенствований. Во-первых, установлено, что, когда электронные схемы столь гибкого устройства испытывают растяжения и сжатия, в приборе происходит изменение рабочих радиочастот связи. Во-вторых, при планировании долговременного использования устройства необходимо принимать в расчёт естественные для живого организма процессы - выделение пота и постоянный процесс омертвения верхнего слоя кожи. В-третьих...

Впрочем, на этом месте пора уже, пожалуй, отвлечься от технических нюансов и проблем технологии (которые, несомненно, удастся в итоге преодолеть), а отметить ещё один "стратегический" аспект этого технического новшества. Тем более что данный аспект по некоторым причинам не нашёл практически никакого отражения в публикациях СМИ, посвящённых EES.

Хотя совершенно очевидно, что техническая сторона "электронной татуировки" имеет очень много общего с уже известной и широко распространённой технологией RFID (гибких чипов радиочастотной идентификации), в комментариях авторов и сообщениях новостных агентств практически нигде этот факт не упоминается. И это, конечно же, не случайность.

Из-за "шпионской" природы RFID, позволяющей скрытно и дистанционно отслеживать чипы, считывая с них информативные данные, эта технология успела обрести в народе определённо негативную ауру. При этом в деле активного сопротивления внедрению RFID применительно к человеку особенно были заметны усилия религиозных фундаменталистов-христиан, усмотревших в технологии "печать антихриста" из апокалиптических пророчеств Иоанна Богослова.

По этой причине политики и бизнесмены сейчас повсюду, где только возможно, избегают термина RFID, применяя вместо него всяческие эвфемизмы и трюки новояза. Ну а возвращаясь к EES, можно сказать: эта новейшая медицинско-электронная технология не только подразумевает прикрепление цифровой тату на тело, но и в явном виде демонстрирует преимущества помещения этой метки на лоб или руку - то есть в те самые места, о которых говорится в евангельских пророчествах апостола Иоанна про числовые метки антихриста...

Кроме того, полностью отвлекаясь от религиозного момента, заметим, что и технологии RFID, и носимая на (или в) теле медицинская электроника на сегодняшний день крайне уязвимы для хакерских атак, поскольку о проблемах надёжной защиты информации здесь, как обычно, думают в самую последнюю очередь. Впрочем, хакинг медицинской техники - это тема для отдельного большого разбирательства.

Для завершения же безусловно интересной темы EES осталось, наверное, лишь напомнить в очередной раз, что сами по себе технологии не являются ни хорошими, ни плохими. Таковыми делают применяющие их люди.