Наше носимое будущее, часть 2: Как будут работать новые технологии?

Джерилин Коверт

Это вторая часть серии из двух частей о будущем носимых технологий. В первой части (читайте здесь) рассказывается о том, как будут выглядеть будущие носимые устройства и чего они будут достигать.

23 августа 2022 г. - Возьмите в руки свой смартфон. Да, вы держали его тысячу раз, он стал продолжением ваших рук. Но давайте проведем эксперимент: Возьмите его за оба конца и вытяните до упора. Теперь скрутите его. Оберните его вокруг предплечья. Круто, правда? А теперь позвольте ему защелкнуться обратно.

Подождите, что значит, ваш телефон не гнется и не растягивается?

Это небольшое упражнение в воображении иллюстрирует, что возможно в сфере носимых устройств - электронных устройств, которые мы носим рядом с кожей или на ней. Сегодня смарт-часы и телефоны - это по-прежнему твердые, негибкие блоки из пластика и металла. Завтра все изменится.

"В носимых устройствах гибкость, растяжимость и возможность стирки - это ключевые требования", - говорит Вина Мисра, доктор философии, профессор электротехники в Университете штата Северная Каролина и директор Центра ASSIST, исследовательского института, финансируемого федеральным правительством, который разрабатывает носимые устройства для помощи здоровью.

"Мы видим подобные разработки повсеместно, - говорит Мисра, - и это можно проследить по количеству [научных] работ, выходящих по носимым устройствам. Их количество просто растет в геометрической прогрессии".

Мы склонны думать о носимых устройствах как о забавных потребительских гаджетах, но растущая школа мысли утверждает, что они радикально улучшат здравоохранение - обеспечат непрерывный, долгосрочный мониторинг для предсказания неблагоприятных событий и тщательного отслеживания болезни, улучшая лечение и результаты здравоохранения во всем мире.

Для того чтобы это произошло, носимые устройства должны органично сочетаться с нашим телом. Это означает, что традиционно жесткие, твердые устройства и системы должны стать похожими на человеческую кожу - мягкими, сгибаемыми и растяжимыми.

Как это сделать? Перепроектируя электронику на молекулярном уровне, миниатюризируя датчики и создавая невиданные источники энергии для поддержки того, что инженеры называют "форм-фактором кожи".

Говоря словами, это не научная фантастика. Это происходит прямо сейчас, и новые продукты, которые будут созданы благодаря этим достижениям - потенциально начиная со сферы здравоохранения и переходя на потребительский рынок велнеса - могут стать таким же обычным явлением, как тот неуклюжий, негибкий телефон, который вы не можете положить на место. Вот как.

Почему важен форм-фактор?

Носимое устройство, которое прилегает к телу, лучше в двух важнейших отношениях: Он менее навязчив для пользователя и позволяет проводить более надежные измерения.

"Датчики и сенсорные системы часто страдают от механического несоответствия", - говорит Альпер Бозкурт, доктор философии, инженер-электрик и коллега Мисры по NC State и ASSIST. "Если у вас мягкая ткань, которая движется, а жесткое сенсорное устройство не движется, ваше измерение может быть ненадежным".

Это потому, что все эти дополнительные колебания между прибором и вашим телом проявляются как "шум" - бессмысленная информация, которая может исказить результаты измерения и привести к ложным выводам.

Кроме того, существует "человеческий фактор", - отмечает Бозкурт, - вопрос соответствия требованиям.

"Одна из проблем заключается в том, что мы разрабатываем что-то в лаборатории, тестируем все, приносим это нашим медицинским операторам, а они поднимают брови и говорят: "Нет, мои пациенты не будут это носить", - говорит Бозкурт. "Вы не можете представить себе будущее носимых устройств, не решив проблему соответствия".

Люди хотят иметь удобное устройство, которое не бросается в глаза и не требует особого взаимодействия, говорит Бозкурт. Мы называем это "надел и забыл". Это можно сравнить с ношением пластыря - конечно, иногда вы замечаете его, но в основном он исчезает на заднем плане, не мешая вам выполнять повседневные задачи, и окружающие даже не замечают его присутствия.

Наручные часы могут показаться достаточно удобными, но их применение выходит за рамки того, что могут обеспечить наручные часы, отмечает Майкл Даниэль, доктор философии, член команды NC State / ASSIST, который изучает мягкие наноматериалы для разработки устройств, контролирующих, имитирующих или дополняющих функции организма.

По его словам, носимые устройства разрабатываются для помощи пациентам и даже для их лечения таким образом, "при котором комфорт пациента является приоритетом".

В качестве примера можно привести использование электродов и электроники в гнездах протезов нижних конечностей, говорит он. "Представьте себе несколько металлических винтов, вкрученных в конечность, на которые приходится весь ваш вес, или наполните ботинок множеством камней. Это и есть состояние носимых устройств для такого пользователя".

Хорошо, как же сделать электронику мягкой и растягивающейся?

Один из способов - взять твердые элементы, используемые для мониторинга здоровья - например, кремниевые чипы - и сделать их настолько тонкими, что они станут гибкими. Одним из первых, кто продемонстрировал технологию использования такого рода материалов в носимых устройствах, напоминающих кожу, был Джон Роджерс, доктор философии, в 2011 году в знаменательной статье в журнале Science под названием "Эпидермальная электроника".

"Мы довольно активно работали в этой области в течение нескольких лет", - говорит Роджерс, который в то время работал в Иллинойском университете, а затем перешел в Северо-Западный университет. "Но потом мы поняли, что даже кремний - который большинство людей считают очень жестким, хрупким материалом, похожим на камень, - может быть изготовлен в форме и с толщиной, которые позволяют его сгибать и ... даже растягивать".

Роджерс, чья команда имеет несколько приложений в разработке, использует технику травления, чтобы сбрить поверхность полупроводниковой пластины.

"Оказалось, что все действия в этих интегральных схемах происходят на этом очень близком к поверхности слое", - говорит он. "Весь кремний под ним служит лишь механической опорой".

Этот критический слой затем встраивается в эластичную полимерную матрицу, объясняет Роджерс, что позволяет им создавать полностью функционирующие системы, которые могут сгибаться, скручиваться и растягиваться.

Другие используют иной подход, создавая электронные детали с нуля из материалов, которые по своей природе мягкие и растяжимые - полимеров. Именно такой работой занимается инженер-химик Стэнфорда Чжэньань Бао, доктор философии, используя ряд полимеров с проводящими свойствами.

"В нашей работе мы получаем фундаментальное понимание того, как проектировать молекулы пластика так, чтобы они обладали нужными нам функциями и свойствами", - говорит Бао. Для электроники, напоминающей кожу, пластик разрабатывается на молекулярном уровне, чтобы быть проводящим, эластичным и мягким.

Одно из новейших творений лаборатории Бао - полимер, который светится, позволяя создавать визуальные дисплеи, подобные коже. Она представляет себе кожный пластырь с дисплеем прямо на нем, или, если пойти дальше, телемедицинский прием, где врач может увидеть и почувствовать текстуру кожи пациента с помощью трехмерного, реалистичного дисплея. Пример: По словам Бао, один из способов проверки задержки воды у пациентов с сердечной недостаточностью - надавить на кожу, чтобы увидеть, отскакивает ли она обратно. Пациент может обернуть электронную наклейку вокруг ноги и нажать на нее, чтобы создать изображение для врача, находящегося за пределами участка. "Врач сможет почувствовать на дисплее текстуру кожи, которую ощущает пациент", - говорит она, - находясь в удаленном месте.

"Конечно, до этого еще далеко", - отмечает Бао. "Но это то, что, по моему мнению, возможно благодаря дисплеям и датчикам, напоминающим кожу".

Больше диких достижений: Жидкие металлы, плазменное соединение, химические сенсоры

Продолжаются и другие разработки. Достижения в области жидких металлов позволяют создавать растягивающиеся проводящие провода. Влагостойкие антенны на текстильной основе могут передавать данные при ношении близко к коже. Такие методы, как плазменное склеивание водяным паром, позволяют прикреплять тонкие металлы к мягким полимерам без потери гибкости или использования высокой температуры и давления, которые могут повредить сверхтонкую электронику.

Датчики тоже совершенствуются - это та часть, которая взаимодействует с тем, что вы пытаетесь измерить. Большинство коммерческих носимых датчиков являются механическими (используются для отслеживания физической активности) или оптическими (сердцебиение, пульсоксиметрия). Но разрабатываются и химические датчики для измерения внутренних маркеров в организме. Они имеют решающее значение для выявления полной картины вашего здоровья, говорит Джозеф Ванг, доктор наук и профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, опубликовавший исследования по биосенсорам и носимым устройствам.

Например, повышение уровня лактата и падение кровяного давления может означать, что у вас септический шок. Измерение уровня калия может дать информацию об изменениях сердечного ритма. А сочетание измерений артериального давления и уровня глюкозы может дать больше информации о здоровье обмена веществ, чем каждое из них в отдельности. "Если их объединить, то можно получить более точные данные", - говорит Ванг.

Именно здесь новые технологии могут стать по-настоящему "гиковскими". Химические сенсоры изготавливаются из самых экзотических наноматериалов, включая графен, углеродные нанотрубки и золотые наночастицы, говорит Даниэле. Некоторые (в частности, датчики глюкозы) используют ферменты, которые связываются с целевыми молекулами. Другие используют аптамеры - короткие одиночные нити ДНК или РНК.

Химические датчики обычно работают с жидкостью организма, такой как пот, слюна, слезы или - как в случае с непрерывными мониторами глюкозы - с интерстициальной жидкостью (жидкость между клетками вашего тела).

"Большинство вещей, которые вы хотите измерить в крови, вы сможете сделать в интерстициальной жидкости, если у вас есть сенсорная технология", - говорит Джейсон Хайкенфельд, доктор философии, профессор электротехники в Университете Цинциннати. Только представьте себе, что можно сделать полный анализ крови, просто наклеив на кожу пластырь, и не нужно брать образец крови".

Хайкенфельд также исследовал пот, который, по его словам, полезен для измерения уровня гормонов (например, тех, которые регулируют стресс, секс и сон) и мониторинга рецептурных препаратов - то есть контроля уровня лекарства в организме и отслеживания того, как быстро оно метаболизируется.

По словам Хайкенфельда, датчики пота могут найти свое место и в домашних тестах. "Если бы существовала народная премия за выбор биологических жидкостей, то победил бы пот", - говорит он. "Мы не хотим брать кровь, не хотим пускать слюни в чашку, не хотим возиться с палочкой для мочи. Слезы - забудьте об этом. Тест будет простым пластырем, который вы наклеиваете на руку; собираете жидкость, кладете ее в конверт и отправляете в лабораторию".

Носимые источники энергии: За пределами батареек АА

Если вы хотите создать растягивающееся, гибкое электронное устройство, вам понадобится растягивающийся, гибкий и даже моющийся способ его питания. По словам Бао, многие современные носимые устройства, такие как смарт-часы, питаются от очень маленьких, но все еще жестких батареек. Отсюда и громоздкая форма.

"Безусловно, существует большой спрос на по-настоящему гибкие батареи с высокой плотностью энергии", - говорит она.

Этот спрос побудил исследователей со всего мира разрабатывать батареи, которые могут растягиваться и сгибаться. Вот лишь несколько недавних примеров: канадские исследователи разработали гибкую, моющуюся батарею, которая может растягиваться до удвоенной первоначальной длины и продолжать работать. В Сингапуре ученые создали тонкую бумажную биоразлагаемую цинковую батарею, которую можно сгибать, скручивать и даже резать ножницами - как любой лист бумаги - и она все равно будет работать. Другие ученые превращают батарейки в длинные полоски, которые можно использовать в "умной" одежде.

Еще один вариант - беспроводное питание, говорит Бао. Батарея не обязательно должна находиться в устройстве - она может быть в одежде или в кармане и при этом питать датчики. Лаборатория Бао в Стэнфорде разработала носимое устройство в виде наклейки под названием BodyNet, которое может заряжаться с помощью радиочастотной идентификации - той же технологии, которая используется для управления бесключевым доступом в закрытые комнаты.

Другие, как Мисра и ее коллеги из ASSIST, изучают альтернативы аккумуляторам, такие как сбор энергии, или преобразование тепла тела, солнечной энергии или движения в энергию.

Мисра работает над генератором энергии, который может преобразовывать разницу температур между вашей кожей и комнатой в энергию для питания устройства. "У вас температура кожи, скажем, 98,6 градусов", - говорит она. "Температура в комнате, вероятно, составляет около 70 градусов по Фаренгейту. И эта разница температур в 28 градусов может быть перенесена на устройство, называемое термоэлектрическим генератором, который может преобразовать эту разницу в энергию".

Только представьте: Больше не нужно беспокоиться о том, что батарея умрет, намокнет или ее придется перезаряжать. "Ваше тело и есть аккумулятор", - говорит Мисра.

Что дальше

По словам Мисры, для того чтобы носимые устройства действительно раскрыли свой потенциал, все их компоненты должны стать более энергоэффективными и объединиться в гибкий, растягивающийся пакет. Они также должны быть разработаны таким образом, чтобы миллионы, если не миллиарды, людей захотели их носить.

Не менее важно: Устройства, предназначенные для медицины, должны предоставлять данные высочайшего качества. Если собранные данные не соответствуют золотому стандарту, то какой от них толк? И все эти данные необходимо превратить в полезную информацию. Именно здесь на помощь приходят аналитика данных, машинное обучение и искусственный интеллект. "Это не неразрешимые проблемы", - говорит Мисра, - "но это захватывающие проблемы, над которыми работают многие представители сообщества".

Итог: Наше носимое будущее уже на пороге.