La microelettronica flessibile e adattiva è considerata un motore di innovazione per nuove e più efficaci applicazioni biomediche. Questi includono, Per esempio, il trattamento dei fasci nervosi danneggiati, dolore cronico, o il controllo degli arti artificiali. Perché questo funzioni, lo stretto contatto tra l'elettronica e il tessuto neurale è essenziale per un efficace accoppiamento elettrico e meccanico. Inoltre, potenziali applicazioni derivano dalla produzione di strumenti chirurgici piccoli e flessibili.

Un team internazionale guidato dal Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, capo dell'Istituto per le nanoscienze integrative presso l'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali (IFW) di Dresda e titolare della cattedra di materiali per la nanoelettronica presso l'Università di tecnologia di Chemnitz e iniziatore del Centro per i materiali, Architetture e Integrazione di Nanomembrane (MAIN), così come Boris Rivkin, un dottorato di ricerca studente nel gruppo del Prof. Schmidt, ha ora dimostrato per la prima volta che tale microelettronica adattativa è in grado di posizionarsi in modo controllato, manipolare il tessuto biologico, e rispondere al loro ambiente analizzando i segnali dei sensori. I risultati, con Rivkin come primo autore, sono apparsi sulla rivista Sistemi intelligenti avanzati . Proprietà diverse per processi dinamici combinate per la prima volta nella microelettronica adattiva

Fino ad ora, non è stato possibile per le strutture microelettroniche percepire e adattarsi al loro ambiente. Sebbene ci siano strutture con un sensore di deformazione che monitorano la propria forma, microelettronica con sensori magnetici che si orientano nello spazio, o dispositivi il cui movimento può essere controllato da strutture polimeriche elettroattive, una combinazione di queste proprietà per l'applicazione in un organismo dinamico mutevole su scala micrometrica, cioè ben al di sotto di un millimetro, non è stato segnalato finora. Microelettronica adattiva e intelligente

Al centro di queste applicazioni c'è un film polimerico, solo 0,5 mm di larghezza e 0,35 mm di lunghezza, che funge da vettore per i componenti microelettronici. A confronto, un pezzo da 1 cent ha un diametro di circa 16 mm. Nella loro pubblicazione, il team della Chemnitz University of Technology e del Leibniz IFW di Dresda presenta ora una microelettronica adattiva e intelligente che utilizza muscoli artificiali microscopici per rimodellare e adattarsi agli ambienti dinamici grazie al feedback di sensori appropriati.

I segnali del sensore sono alimentati tramite collegamenti elettrici a un microcontrollore, dove vengono valutati e utilizzati per generare segnali di controllo per i muscoli artificiali. Ciò consente a questi strumenti in miniatura di adattarsi a forme anatomiche complesse e imprevedibili. Per esempio, i fasci nervosi hanno dimensioni sempre diverse. La microelettronica adattiva può racchiudere delicatamente questi fasci nervosi per stabilire un'interfaccia bioneurale adatta.

Essenziale per questo è l'integrazione di sensori di forma o posizione in combinazione con microattuatori. La microelettronica adattiva viene quindi prodotta in un cosiddetto "processo monolitico su scala wafer". I 'wafer' sono substrati piatti fatti di silicio o vetro su cui sono fabbricati i circuiti. La produzione monolitica consente di fabbricare molti componenti contemporaneamente in parallelo su un substrato. Ciò consente una produzione rapida e allo stesso tempo più conveniente. I muscoli artificiali generano movimento:è possibile l'uso in un ambiente organico

Il movimento e il rimodellamento della microelettronica adattiva si ottengono per mezzo di muscoli artificiali, i cosiddetti "attuatori". Questi generano movimento espellendo o assorbendo ioni e possono quindi rimodellare il film polimerico.

Questo processo si basa sull'uso del polimero polipirrolo (PPy). Il vantaggio di questo metodo è che la manipolazione della forma può essere effettuata in modo mirato e con una polarizzazione elettrica già molto bassa (meno di un volt). Il fatto che i muscoli artificiali siano sicuri anche per l'uso in ambienti organici è già stato dimostrato in passato da altri gruppi. Ciò ha comportato il test delle prestazioni delle micromacchine in vari ambienti rilevanti per le applicazioni mediche, compreso il liquido cerebrospinale, sangue, plasma, e urina.

In futuro, puntare su robot microelettronici ancora più complessi

Il team di Dresda e Chemnitz prevede che la microelettronica adattiva e intelligente sarà sviluppata in complessi microsistemi robotici a medio termine. Boris Rivkin afferma:"Il prossimo passo cruciale è il passaggio dall'architettura precedentemente piatta ai micro-robot tridimensionali. Il lavoro precedente ha dimostrato come i film polimerici piatti possono rimodellare in strutture tridimensionali attraverso piegatura o arrotolamento auto-organizzati. aggiungere l'elettronica adattiva a tali materiali per sviluppare sistemi come micro-cateteri robotici, minuscoli bracci robotici, e impianti neurali malleabili che agiscono in modo semi-autonomo seguendo un'istruzione digitale."

Dott. Daniil Karnaushenko, capogruppo nel team del Prof. Oliver Schmidt, aggiunge, "Microrobot così complessi richiederanno un gran numero di singoli attuatori e sensori. Ospitare e utilizzare efficacemente i componenti elettronici in una tale densità è una sfida perché sono necessarie più connessioni elettriche dello spazio disponibile. Questo sarà risolto da complessi circuiti elettronici che essere integrato nella microelettronica adattiva in futuro per trasmettere le istruzioni appropriate ai componenti giusti."

Questo lavoro contribuisce anche al campo emergente della chirurgia assistita da robot, che potrebbe consentire procedure meno invasive ma più precise. Strumenti chirurgici intelligenti che generano un feedback affidabile sulla loro forma e posizione potrebbero diventare indispensabili nel trattamento dei tessuti delicati.