Инженеры из Технологического института Джорджии создали беспроводную сетевую систему, которая позволяет крошечным имплантируемым датчикам и исполнительным устройствам общаться друг с другом, а также с носимыми устройствами. Сигналы передаются через ткани тела — без Bluetooth, без NFC, без громоздких антенн.
Работа опубликована 24 сентября в журнале Science.
В чём проблема
Традиционные беспроводные сигналы плохо проходят через человеческое тело. Это ограничивало возможности носимых устройств и имплантатов: они не могли работать вместе. К тому же такие сигналы требуют крупных антенн и большого энергопотребления, а значит, имплантаты должны быть большими, чтобы вместить компоненты.
Новая система, названная SWANS (Smart Wireless Autonomous Networking System — умная беспроводная автономная сетевая система), снимает эти ограничения. Она использует естественную ионную проводимость тканей тела как соединение между устройствами.
«С нашей системой вы можете поместить датчики в лучшее место для обнаружения биологического сигнала, а исполнительные устройства — в лучшее место для терапевтического действия, — сказал Алекс Абрамсон, старший автор исследования и доцент Школы химической и биомолекулярной инженерии. — Им не нужно быть соединёнными, выровненными или даже находиться рядом друг с другом; они могут просто посылать сигналы через окружающие ткани».
Как это работает
Каждый имплантат запрограммирован реагировать на электрические импульсы определённого напряжения и длины, передаваемые через ткань от одного устройства к другому. Это позволяет избирательно активировать нужные устройства. Они также могут координироваться, чтобы данные от нескольких датчиков на теле и внутри него объединялись и запускали потенциальное терапевтическое действие.
Имплантаты сделаны из пассивных электронных компонентов, которые практически не потребляют энергию, пока ждут запуска, но мгновенно просыпаются для выполнения действия. Они меньше 3 миллиметров — достаточно крошечные, чтобы вводиться через шприц, а не хирургическим путём.
Низкое энергопотребление означает долгий срок службы. В экспериментах команда обнаружила, что крошечный исполнительный механизм, запускаемый раз в день, должен проработать около года до замены. Крошечные электрические импульсы не повреждали образцы тканей.
SWANS предназначена для передачи лишь небольших объёмов данных между устройствами — наличие или отсутствие чего-либо, сигнал «да/нет» для запуска действия. Более крупный обмен данными или тяжёлые вычисления происходят на внешнем носимом хабе, который координирует показания датчиков и направляет терапевтические действия.
Что показали эксперименты
В исследовании учёные продемонстрировали управление движениями обеих конечностей у крысы, координируя полнотельную сеть датчиков и нейронных интерфейсов. Их датчики обнаруживали, когда передняя лапа крысы двигалась, и автономно запускали другое устройство, чтобы стимулировать и сокращать мышцу задней лапы, имитируя естественную походку животного.
«Я всегда был увлечён созданием устройств, улучшающих качество жизни пациентов, — сказал Рами Ганим, докторант и первый автор исследования. — Автоматизация улучшает результаты и упрощает схемы лечения для пациентов».
Что дальше
В исследовании участвовали исследователи из области механической, биомедицинской и электрической инженерии Технологического института Джорджии, включая В. Хонга Йео и бывшего докторанта Юн Джэ Ли, ныне доцента компьютерных наук Университета штата Джорджия. Также участвовали исследователи материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института Аристид Гумьюсенге и Камиль Кунин.
«Наша конечная надежда — полностью автоматизировать здоровье человека: доставлять терапию точно когда нужно, где нужно и делать это скоординированно по всему телу, — сказал Абрамсон. — С нашей новой системой вы можете координировать множество датчиков и исполнительных устройств в совершенно разных областях тела, что является огромным шагом вперёд в стремлении к персонализированной биоэлектронной медицине».
