Les capteurs portables sont omniprésents grâce à la technologie sans fil qui permet aux concentrations de glucose, à la pression artérielle, à la fréquence cardiaque et aux niveaux d’activité d’une personne d’être transmises de manière transparente du capteur au smartphone pour une analyse plus approfondie.
La plupart des capteurs sans fil communiquent aujourd’hui via des puces Bluetooth intégrées qui sont elles-mêmes alimentées par de petites piles. Mais ces puces et sources d’alimentation conventionnelles seront probablement trop volumineuses pour les capteurs de nouvelle génération, qui prennent des formes plus petites, plus minces et plus flexibles.
Les ingénieurs du MIT ont maintenant conçu un nouveau type de capteur portable qui communique sans fil sans nécessiter de puces ou de batteries embarquées. Leur conception, détaillée aujourd’hui dans la revue La scienceouvre la voie vers des capteurs sans fil sans puce.
La conception du capteur de l’équipe est une forme de peau électronique, ou « e-skin » – ; un film semi-conducteur flexible qui épouse la peau comme du scotch électronique. Le cœur du capteur est un film ultra fin et de haute qualité de nitrure de gallium, un matériau connu pour ses propriétés piézoélectriques, ce qui signifie qu’il peut à la fois produire un signal électrique en réponse à une contrainte mécanique et vibrer mécaniquement en réponse à une impulsion électrique. .
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient exploiter les propriétés piézoélectriques bidirectionnelles du nitrure de gallium et utiliser le matériau simultanément pour la détection et la communication sans fil.
Dans leur nouvelle étude, l’équipe a produit des échantillons purs et monocristallins de nitrure de gallium, qu’ils ont associés à une couche conductrice d’or pour amplifier tout signal électrique entrant ou sortant. Ils ont montré que l’appareil était suffisamment sensible pour vibrer en réponse au rythme cardiaque d’une personne, ainsi qu’au sel dans sa sueur, et que les vibrations du matériau généraient un signal électrique qui pouvait être lu par un récepteur à proximité. De cette façon, l’appareil a pu transmettre sans fil des informations de détection, sans avoir besoin d’une puce ou d’une batterie.
« Les puces nécessitent beaucoup d’énergie, mais notre appareil pourrait rendre un système très léger sans avoir de puces gourmandes en énergie », déclare l’auteur correspondant de l’étude, Jeehwan Kim, professeur agrégé de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux, et chercheur principal au Laboratoire de recherche en électronique.
« Vous pouvez le mettre sur votre corps comme un bandage, et associé à un lecteur sans fil sur votre téléphone portable, vous pouvez surveiller sans fil votre pouls, votre sueur et d’autres signaux biologiques. »
Les co-auteurs de Kim incluent le premier auteur et ancien post-doctorant du MIT Yeongin Kim, qui est maintenant professeur adjoint à l’Université de Cincinnati ; co-auteur correspondant Jiyeon Han de la société coréenne de cosmétiques AMOREPACIFIC, qui a contribué à motiver les travaux en cours ; des membres du Kim Research Group du MIT ; et d’autres collaborateurs de l’Université de Virginie, de l’Université de Washington à Saint-Louis et de plusieurs institutions à travers la Corée du Sud.
Résonance pure
Le groupe de Jeehwan Kim a précédemment développé une technique, appelée épitaxie à distance, qu’ils ont utilisée pour développer et décoller rapidement des semi-conducteurs ultrafins de haute qualité à partir de plaquettes recouvertes de graphène. En utilisant cette technique, ils ont fabriqué et exploré divers films électroniques flexibles et multifonctionnels.
Dans leur nouvelle étude, les ingénieurs ont utilisé la même technique pour décoller des films monocristallins ultrafins de nitrure de gallium, qui, dans sa forme pure et sans défaut, est un matériau piézoélectrique très sensible.
L’équipe a cherché à utiliser un film pur de nitrure de gallium à la fois comme capteur et comme communicateur sans fil d’ondes acoustiques de surface, qui sont essentiellement des vibrations à travers les films. Les modèles de ces ondes peuvent indiquer la fréquence cardiaque d’une personne, ou encore plus subtilement, la présence de certains composés sur la peau, comme le sel dans la sueur.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’un capteur à base de nitrure de gallium, collé à la peau, aurait sa propre vibration ou fréquence « résonnante » inhérente que le matériau piézoélectrique convertirait simultanément en un signal électrique, dont la fréquence pourrait être enregistrée par un récepteur sans fil. Toute modification de l’état de la peau, telle qu’une fréquence cardiaque accélérée, affecterait les vibrations mécaniques du capteur et le signal électrique qu’il transmet automatiquement au récepteur.
« S’il y a un changement dans le pouls, ou des produits chimiques dans la sueur, ou même une exposition aux ultraviolets de la peau, toute cette activité peut modifier le schéma des ondes acoustiques de surface sur le film de nitrure de gallium », note Yeongin Kim. « Et la sensibilité de notre film est si élevée qu’elle peut détecter ces changements. »
Transmission des ondes
Pour tester leur idée, les chercheurs ont produit un film mince de nitrure de gallium pur de haute qualité et l’ont associé à une couche d’or pour amplifier le signal électrique. Ils ont déposé l’or dans le motif d’haltères répétitifs -; une configuration en forme de treillis qui conférait une certaine flexibilité au métal normalement rigide. Le nitrure de gallium et d’or, qu’ils considèrent comme un échantillon de peau électronique, mesure à peine 250 nanomètres d’épaisseur – ; environ 100 fois plus mince que la largeur d’un cheveu humain.
Ils ont placé la nouvelle peau électronique sur les poignets et le cou des volontaires et ont utilisé une simple antenne, tenue à proximité, pour enregistrer sans fil la fréquence de l’appareil sans contacter physiquement le capteur lui-même. L’appareil était capable de détecter et de transmettre sans fil les changements dans les ondes acoustiques de surface du nitrure de gallium sur la peau des volontaires en fonction de leur fréquence cardiaque.
L’équipe a également associé l’appareil à une fine membrane de détection d’ions – ; un matériau qui attire sélectivement un ion cible, et dans ce cas, le sodium. Grâce à cette amélioration, l’appareil pouvait détecter et transmettre sans fil les niveaux de sodium changeants lorsqu’un volontaire tenait un coussin chauffant et commençait à transpirer.
Les chercheurs voient leurs résultats comme une première étape vers des capteurs sans fil sans puce, et ils envisagent que le dispositif actuel pourrait être associé à d’autres membranes sélectives pour surveiller d’autres biomarqueurs vitaux.
« Nous avons montré la détection du sodium, mais si vous changez la membrane de détection, vous pouvez détecter n’importe quel biomarqueur cible, tel que le glucose ou le cortisol lié aux niveaux de stress », explique le co-auteur et post-doctorant du MIT Jun Min Suh. « C’est une plateforme assez polyvalente. »
Cette recherche a été soutenue par AMOREPACIFIC.
