Antud referaadis räägitakse elektrooniliste süsteemide klassist, mis omavad marrasnahaga sobivat paksust, elastsusmoodulit, jäikust ja pindtihedust. Vastupidiselt traditsioonilistele wafer-based tehnoloogiatele saavutatakse selliste struktuuride nahale lamineerimisel konformne kontakt ja piisav van der Waalsi interaktsioonil põhinev nakkuvus, jäädes samal ajal kasutajale mehaaniliselt nähtamatuks. Selliste seadmete vooluallikaks võib olla päikesepatarei või juhtmevabad poolid.
Epideemiline elektroonika võib tulevikus revolutsioneerida meie arusaama meditsiinist, kommunikatsioonist ning väga erinevate seadmete kasutajaliidestest.
Nahapõhised füsioloogilised mõõtmis- ja stimulatsioonitehnikad on teadlastele huvi pakkunud juba üle kaheksakümne aasta; alates 1929 aasta kolju elektroentsefalograafiast. Samas põhinevad peaaegu kõik tehnoloogiad kontseptuaalselt vanadel disainidel. Tavaliselt kinnitatakse mingi hulk suuri (ingl k. bulk) elektroode nahale kasutades kahepoolset teipi, mehaanilisi klambreid, rihmasid või nõelasid; sageli pannakse naha ja elektroodi vahele ka juhtivaid geele. Signaal juhitakse kaablitega eraldiseisvatesse karpidesse, milles on mahukad elektroonikaseadmed, vooluallikad ja kommunikatsioonikomponendid. Sellised süsteemid täidavad küll mitmeid vajalikke ülesandeid, kuid ei sobi praktilisteks rakendusteks väljaspool uurimisasutusi ja kliinikuid. Probleemiks on pikaajaliste robustsete elektriliste kontaktide saavutamine, mis ei ärritaks nahka; ning sobiva suuruse, kuju ja kaaluga integreeritud seadmete loomine, mis ei põhjustaks pikaajalisel kasutamisel ebameeldivusi.
Pilt: „Epidermal Electronics“ (Kim et al., Science 12 August 2011)
2011. aastal avaldati teadusartikkel „Epidermal Electronics“ (Kim et al., Science 12 August 2011: 333 (6044), 838-843. [DOI:10.1126/science.1206157]), milles kirjeldatakse uudset lähenemist, kus elektroodid, elektroonika, sensorid, vooluallikad ja kommunikatsioonielemendid on koos üliõhukeses, väikese elastsusmooduliga kerges ja venivas nahasarnases membraanis, mis lamineeritakse konformselt nahale, nagu ajutine tatoveering, jäädes kasutajale mehaaniliselt nähtamatuks. Tulemuseks on võimekas süsteem pöörduva elastse kostega suurtele deformatsioonidele, efektiivse elastsusmooduliga (<150 kPa) ja masstihedusega (<3.8 mg/cm2), mis on mitu suurusjärku väiksem, kui oleks võimalik traditsiooniliste meetoditega. Potentsiaalsed rakendused on füsioloogiline monitoorimine, haava mõõtmine/ravi, bioloogiline/keemiline sensoorimine, inimese-masina vaheline juhtseade, varjatud kommunikatsioon jm.
Sellise seadme mehaanilised omadused sõltuvad nii aluse kui ka komponentide efektiivsetest elastsusmoodulitest ja paksustest. Sellistes näidetes, nagu joonisel 1, võivad komponentide ja ühenduste mehaanilised omadused domineerida kogu süsteemi omadusi.
Paljude epidermilise elektroonika seadmete (edaspidi EES) rakenduste jaoks on väga oluline komponentide nakkumine nahaga. Nakkuvuse parandamiseks saab kasutada liimi, mis on ajutise tätoveeringu platvormi juba sisse ehitatud (joonis 1D).
EES võtmeomadus on võime jälgida elektrofüsioloogilisi (EP) protsesse, mis on seotud aju tegevusega [elektroentsefalogrammid (EEG)], südametegevusega [elektrokardiogrammid (ECG)] ja lihaskoe tegevusega [elektromüogrammid (EMG)]. EES võimaldab ka paljusid teisi pooljuhttehnoloogial põhinevaid seadmeid, sealhulgas takistuslikke temperatuurisensoreid, deformatsiooniandureid, LED-e ja fotosensoreid (potentsiaalselt naha/biovedelike optiliseks karakteriseerimiseks) ja räni fotoelemente.
Inimese ja masina vahelise liidesena on paljulubavad ka EEG andmed. EES paigaldamine otsaesisele, mis on eelnevalt spetsiaalselt ette valmistatud, annab kõrgekvaliteedilisi tulemusi, nagu näitavad suletud silmadega ärkvel inimeselt registreeritud alfa-rütmid. Signaali-müra suhe on võrreldav traditsiooniliste seadmetega mõõdetud tulemustega. Pikaajalisteks rakendusteks on vaja materjale ja strateegiaid, mis tuleks toime pideva surnud rakkude eraldumisega naha pinnal ning võimaldaksid muuta seadmeid vähem nähtavaks.
Autor: Jakob Jõgi
Leave a Reply