Gli ingegneri della Penn State utilizzano la potenza di calcolo e le scienze dei dati per lavorare su estensibili, dispositivi flessibili e indossabili che potrebbero portare a innovazioni nel campo della salute e del benessere. Credito:materiali applicati e interfacce
voluminoso, ronzii e segnali acustici nelle stanze d'ospedale dimostrano che il monitoraggio dello stato di salute di un paziente è un processo invasivo e scomodo, nella migliore delle ipotesi, e un processo pericoloso, al peggio. I ricercatori della Penn State vogliono cambiarlo e realizzare biosensori che potrebbero rendere il monitoraggio della salute meno ingombrante, più preciso e molto più sicuro.
La chiave sarebbe creare sensori così estensibili e flessibili da potersi integrare facilmente con il complesso del corpo umano, contorni mutevoli, disse Larry Cheng, il Dorothy Quiggle Professor in Ingegneria e un affiliato dell'Institute for Computational and Data Sciences. Il suo laboratorio sta facendo progressi nella progettazione di sensori in grado di fare proprio questo.
Se i biosensori che sono sia efficienti dal punto di vista energetico che estensibili possono essere realizzati su larga scala, i ricercatori suggeriscono che gli ingegneri possono perseguire e, in alcuni casi, stanno già perseguendo una gamma di opzioni per sensori che possono essere indossati sul corpo, o addirittura collocato all'interno del corpo. La ricompensa sarebbe più intelligente, cure mediche più efficaci e personalizzate e un migliore processo decisionale in materia di salute, senza un sacco di ingombranti, ronzii e segnali acustici di apparecchiature di monitoraggio.
Alcune delle idee che i ricercatori della Penn State e di tutto il mondo stanno studiando includono tessuti elastici che possono incorporare biosensori. I sensori cartacei potrebbero anche essere utilizzati per creare bende intelligenti in grado di monitorare lo stato delle ferite. I tatuaggi temporanei potrebbero persino incorporare biosensori per il monitoraggio della salute. Per esempio, un tatuaggio abilitato per biosensori potrebbe fornire ai pazienti diabetici stime istantanee dei loro livelli di glucosio.
I ricercatori hanno recentemente pubblicato la loro analisi degli ultimi sviluppi nei biosensori flessibili ed estensibili.
Più potenza di calcolo
Un'antenna in grado di trasmettere dati è l'elemento chiave per queste idee sui biosensori, disse Cheng, che è anche membro del Materials Research Institute di Penn State. Ma non può essere un'antenna normale. Un'antenna nel corpo umano richiederebbe che non solo fosse durevole, resistere alle condizioni estreme del corpo, ma deve anche essere estensibile, in modo che possa adattarsi ai contorni di vari organi e tessuti del corpo.
La creazione di quelle antenne estensibili richiede calcoli complessi per modellare tutte le diverse variazioni che il design dei sensori può assumere per determinare i migliori design. E questo significa che il solo processo di progettazione richiede molta potenza di calcolo, Ha aggiunto.
"Esploriamo molti modelli e design diversi quando esaminiamo queste idee, ma questo può creare più parametri, " Ha detto Cheng. "Questo può diventare un problema perché è difficile trovare il design giusto con tutti i diversi parametri. Ecco perché abbiamo bisogno di più potenza di calcolo:questa potenza di calcolo aggiuntiva può aiutarci a giocare con i diversi parametri e scoprire l'effetto di ciascuno di essi. Quindi possiamo capire come ottimizzarli".
Il team vuole anche vedere come cambiano le proprietà meccaniche ed elettromagnetiche quando il dispositivo cambia forma.
"Dobbiamo sfruttare le risorse computazionali per progettare questa antenna efficiente che può essere estensibile, ma, ma ancora più importante, con questa antenna estensibile, possiamo fare molte cose perché se vogliamo ottenere il luogo in cui questi sensori trasmettono i dati, questa antenna è l'elemento chiave che non puoi aggirare, " Egli ha detto.
Poiché ci sono così tante variazioni nel design e parametri diversi, gli ingegneri hanno bisogno di molta potenza di calcolo per selezionare il miglior design per le nuove tecnologie indossabili. Credito:Penn State
E semplicemente più potenza
Il prossimo passo è trovare modi per alimentare i sensori. Le batterie attuali potrebbero essere troppo grandi e rigide per alimentare un sensore in grado di funzionare su o all'interno di un corpo umano, disse Cheng. Il suo laboratorio sta ora studiando nuovi modi per alimentare i biosensori.
Anche se potremmo pensare di dover collegare il sensore a una fonte di energia, Cheng ha detto che in realtà siamo circondati da fonti di energia naturali e create dall'uomo, chiamata energia ambientale.
"Il nostro lavoro ora si concentra anche sulla raccolta dell'energia ambientale, che può includere Wi-Fi—il 3-G, 4-G o 5-G, o anche fonti di microonde, " disse Cheng. "Con l'energia ambientale, è sempre acceso, non importa se lo stai usando o no, È lì. Anche quando vai a dormire, È lì. Se non raccogliamo quell'energia, viene semplicemente sprecato."
Il progetto dei ricercatori richiede un'antenna raddrizzatrice estensibile, o rectenna, che può convertire l'energia elettromagnetica in corrente continua. Cheng ha detto che potrebbe essere in grado di alimentare il dispositivo, o caricare una batteria come fonte di alimentazione.
Poiché il dispositivo ha accesso a una gamma più ampia di energia disponibile, i risultati iniziali mostrano che il design dei ricercatori è da 10 a 100 volte migliore rispetto ai modelli esistenti.
"Se raccogliessimo l'energia solo a una singola frequenza, lo farà, Certo, ridurre al minimo la quantità di energia che possiamo utilizzare, ma raccogliendo l'energia su un'ampia banda attorno al dispositivo, aumenterà l'efficienza, " disse Cheng.
Direzioni future:Pop-up e organoidi
Nel futuro, Cheng ha detto che il suo team continuerà a lavorare sui biosensori, ma stanno anche studiando la potenziale integrazione di biosensori con organoidi, che sono di cultura umana, tessuti organo-specifici progettati per imitare la funzione degli organi naturali. Cheng ha detto che gli organoidi potrebbero essere usati per i test medici.
"I test sugli animali sono usati abbastanza spesso nella ricerca medica, ma i test sugli organoidi ci darebbero un'opzione molto più etica, " Egli ha detto.
Cheng ha aggiunto che la progettazione di materiali che possono assumere forme tridimensionali è un'altra area di esplorazione futura della ricerca per il gruppo. Questi design "pop-up" potrebbero essere inseriti in un'area di destinazione come una superficie piana, ma poi si trasformano in una forma 3D. Questi potrebbero essere utilizzati in future applicazioni in campo sanitario e medico, tra gli altri.
