类似皮肤的电子设备可以与身体无缝集成,用于健康监测、药物治疗、植入式医疗设备和生物学研究。
在波尔斯基创业与创新中心的帮助下,芝加哥大学普利茨克分子工程学院的分子工程助理教授王思宏(Sihong Wang)已经获得了这些新型设备的专利。
这项工作借鉴了半导体物理、固体力学和能源科学领域的创新,包括创造可拉伸聚合物半导体和晶体管阵列,它们提供了卓越的电气性能、高半导体性能和机械拉伸性能。此外,Wang还开发了摩擦电纳米发电机,作为从用户运动中获取能量的新技术鈥攁设计了相关的储能工艺。
Wang说,目标是结合这些进展,开发出能够附着在用户皮肤上或身体内的设备,以比目前可用的选项更有效地实时检测生命信号。他补充说,这项工作是材料科学和电子工程领域进展最快的领域之一。
“在过去的十年中,这一发展电子产品的总体方向,可以与人体更紧密地工作,确实吸引了学术界和工业界的大量关注,”王说。“因为人们在这里看到了巨大的差距,也看到了巨大机会,让电子设备以更亲密的方式为人体工作。”
抓住这个机会,王正朝着几个方向进行研究。“基于我们开发的新型压力传感器,我们创造了一种新的结构,并通过Polsky申请了专利,这种传感器可以像皮肤一样拉伸,但性能没有变化,”Wang解释道。
与同事Stacy Lindau,医学博士,MA,妇产科和医学老年学教授,生物科学部研究实验室主任,以及Sliman Bensmaia,James和Karen Frank家庭组织生物学和解剖学教授合作,Wang正在使用这种传感器创建一个神经修复系统,该系统将植入乳房切除术患者的皮肤下。被称为仿生乳房项目,目的是恢复乳房区域的感觉。
“这种传感器可以类似于乳房中的传感受体,通过将其转换为电信号来感知身体接触/运动,”Wang说。
这些传感器还可以用于开发所谓的软机器人电子皮肤,使它们能够以新的方式感知和感知。然而,在未来五年中,王表示,他预计这项工作最直接的应用将是从人体提取多种信号的设备,如脉搏和血压。他们正是这样做的。
展望未来,目标是检测汗液中不同生物标志物的信号。
“在目前的医疗实践中,获取生化信息的唯一方法是通过血液测试,这不仅是侵入性的,而且不是即时的,”王指出。“这将是另一个巨大的游戏规则改变者,因为每个人都可以以更有效和更频繁的方式获得他们的健康状况。”王最近发表了前两部作品,概述了实现具有高灵敏度和选择性的可伸缩生物传感器的策略。
可拉伸显示器和AI的人体数据处理
皮肤类设备的另一个关键组件是与用户通信的柔性显示器。为此,王和他的团队开发了另一种重要的新型材料:电致发光聚合物。高效,聚合物发光明亮,在拉伸时保持性能。
为完成这项工作,该团队还正在探索将这些设备与人工智能(AI)相结合。
“我们认为,在未来,可穿戴设备的成功将在于它们能够不断地从人体提取和监测健康信息,”王说。“那么生成的数据与现在相比将真正成为‘大数据’,只有测试报告的快照。”
与所有数据集一样,下一个问题是如何以高吞吐量的方式有效地分析和提取有用的健康信息。
“我们正在尝试开发一种新型的计算设备和平台,它可以真正有效地直接在皮肤或身体上实现人工智能或机器学习算法,而无需将信息无线转移或传输到中心计算位置,如云,”王解释说。“分析速度会快得多,而且您不会因为这些无线传输而丢失非常私人的健康信息。”
基于半导体的计算平台是“神经网络计算机”,灵感来自大脑的工作方式。
“最终,我们可以帮助实现精确医学,”王说。“对于每个人,设备收集的数据可以通过个性化程序进行分析,为您提供最有用和最有效的操作,提供闭环干预,以控制您的健康。”
最终,我们的目标是创造一种不仅在机械性能上,而且在功能和操作方式上模仿人脑的东西。“总的来说,到目前为止,人工智能更多的是一个计算机科学研究领域,”王说。“但对于作为材料科学家的我们来说,我们正在从不同的角度进行研究。”
这项研究发表在《先进材料与物质》杂志上。