Il nuovo approccio contribuisce a far avanzare la tecnologia dei sensori wireless e apre la strada all’utilizzo, un giorno, di grandi popolazioni di sensori poco appariscenti in microdispositivi biomedici impiantabili e indossabili.
I sensori trasmettono, ricevono e decodificano dati da migliaia di chip microelettronici, ciascuno non più grande di un granello di sale. Foto di Nick Dentamaro/Brown University
Piccoli chip potrebbero rappresentare un grande passo avanti per un team di scienziati guidati dagli ingegneri della Brown University.
Scrivere in Natura Elettronicail gruppo di ricerca descrive un nuovo approccio per una rete di comunicazione wireless in grado di trasmettere, ricevere e decodificare in modo efficiente i dati da migliaia di chip microelettronici, ciascuno non più grande di un granello di sale.
La rete di sensori è progettata in modo che i chip possano essere impiantati nel corpo o integrati in dispositivi indossabili. Ogni sensore di silicio di dimensioni submillimetriche imita il modo in cui i neuroni nel cervello comunicano attraverso picchi di attività elettrica. I sensori rilevano eventi specifici come picchi e quindi trasmettono i dati in modalità wireless in tempo reale utilizzando onde radio, risparmiando energia e larghezza di banda.
“Il nostro cervello funziona in modo molto scarso”, ha detto Jihun Lee, ricercatore post-dottorato alla Brown e autore principale dello studio. “I neuroni non si attivano continuamente. Comprimono i dati e si attivano scarsamente, quindi sono molto efficienti. Stiamo imitando questa struttura qui nel nostro approccio alle telecomunicazioni wireless. I sensori non invierebbero dati in continuazione: invierebbero semplicemente dati rilevanti secondo necessità sotto forma di brevi raffiche di picchi elettrici, e sarebbero in grado di farlo indipendentemente dagli altri sensori e senza coordinarsi con un ricevitore centrale. In questo modo riusciremmo a risparmiare molta energia ed evitare di inondare il nostro hub di ricezione centrale con dati meno significativi”.
Questo schema di trasmissione a radiofrequenza rende inoltre il sistema scalabile e affronta un problema comune con le attuali reti di comunicazione dei sensori: devono essere tutti perfettamente sincronizzati per funzionare bene.
I ricercatori affermano che il lavoro segna un passo avanti significativo nella tecnologia dei sensori wireless su larga scala e potrebbe un giorno contribuire a modellare il modo in cui gli scienziati raccolgono e interpretano le informazioni da questi piccoli dispositivi di silicio, soprattutto da quando i sensori elettronici sono diventati onnipresenti grazie alla tecnologia moderna.
“Viviamo in un mondo di sensori”, ha detto Arto Nurmikko, professore alla Brown’s School of Engineering e autore senior dello studio. “Loro sono dappertutto. Sono certamente nelle nostre automobili, sono in tanti posti di lavoro e sempre più spesso entrano nelle nostre case. L’ambiente più esigente per questi sensori sarà sempre all’interno del corpo umano”.
Ecco perché i ricercatori ritengono che il sistema possa contribuire a gettare le basi per la prossima generazione di sensori biomedici impiantabili e indossabili. C’è una crescente necessità in medicina di microdispositivi che siano efficienti, discreti e impercettibili ma che operino anche come parte di un grande insieme per mappare l’attività fisiologica in un’intera area di interesse.
“Si tratta di una pietra miliare in termini di sviluppo effettivo di questo tipo di microsensore wireless basato su picchi”, ha affermato Lee. “Se continuiamo a utilizzare metodi convenzionali, non saremo in grado di raccogliere i dati ad alto canale che queste applicazioni richiederanno in questo tipo di sistemi di prossima generazione”.
Gli eventi identificati e trasmessi dai sensori possono essere eventi specifici come cambiamenti nell’ambiente che stanno monitorando, comprese le fluttuazioni di temperatura o la presenza di determinate sostanze.
I sensori sono in grado di utilizzare la minima quantità di energia perché i ricetrasmettitori esterni forniscono alimentazione wireless ai sensori mentre trasmettono i dati, il che significa che devono solo trovarsi nel raggio d’azione delle onde di energia inviate dal ricetrasmettitore per ottenere una carica. Questa capacità di funzionare senza la necessità di essere collegati a una fonte di alimentazione o a una batteria li rende comodi e versatili per l’uso in molte situazioni diverse.
Il team ha progettato e simulato la complessa elettronica su un computer e ha lavorato attraverso diverse iterazioni di fabbricazione per creare i sensori. Il lavoro si basa su precedenti ricerche del laboratorio di Nurmikko alla Brown che hanno introdotto a nuovo tipo di sistema di interfaccia neurale chiamati “neurocereali”. Questo sistema utilizzava una rete coordinata di minuscoli sensori wireless per registrare e stimolare l’attività cerebrale.
“Questi chip sono piuttosto sofisticati come dispositivi microelettronici in miniatura, e ci abbiamo messo un po’ per arrivare qui”, ha detto Nurmikko, che è anche affiliato con Carney Institute di Brown per le scienze del cervello. “La quantità di lavoro e di impegno necessaria per personalizzare le diverse funzioni nel manipolare la natura elettronica di questi sensori – che essendo fondamentalmente compressi in una frazione di millimetro di spazio di silicio – non è banale”.
I ricercatori hanno dimostrato l’efficienza del loro sistema e quanto potrebbe essere potenzialmente ampliato. Hanno testato il sistema utilizzando 78 sensori in laboratorio e hanno scoperto che erano in grado di raccogliere e inviare dati con pochi errori, anche quando i sensori trasmettevano in momenti diversi. Attraverso simulazioni, sono stati in grado di mostrare come decodificare i dati raccolti dal cervello dei primati utilizzando circa 8.000 sensori ipoteticamente impiantati.
I ricercatori affermano che i prossimi passi includono l’ottimizzazione del sistema per ridurre il consumo energetico e l’esplorazione di applicazioni più ampie oltre la neurotecnologia.
“Il lavoro attuale fornisce una metodologia su cui possiamo sviluppare ulteriormente”, ha affermato Lee.
Il lavoro è stato sostenuto da finanziamenti del National Institutes of Health. Tra i coautori figurano anche Vincent Leung della Baylor University, Miguel Lopez Gordo dell’Università di Granada e i membri della facoltà Brown Lawrence Larson e Farah Laiwalla.
Fonte: Università Marrone
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