Nasza przyszłość w branży Wearable, część 2: Jak będzie działać nowa technologia?

Jerilyn Covert

To jest druga część dwuczęściowej serii o przyszłości technologii wearable. Część pierwsza (czytaj tutaj) opisuje, jak będą wyglądać i co osiągną przyszłe urządzenia wearables.

23 sierpnia 2022 roku - Podnieś swój smartfon. Tak, trzymałeś go już tysiące razy, jest jak przedłużenie Twoich rąk. Ale zróbmy eksperyment: Złap go za oba końce i wyciągnij tak daleko, jak tylko się da. Teraz skręć ją. Owiń go wokół swojego przedramienia. Fajnie, prawda? A teraz pozwól, żeby się zatrzasnął.

Czekaj, jak to telefon nie będzie się wyginał i rozciągał?

To małe ćwiczenie z wyobraźni ilustruje, co jest możliwe w dziedzinie wearables - urządzeń elektronicznych, które nosimy blisko lub na skórze. Dziś smartwatche i telefony to wciąż twarde, nieelastyczne bloki plastiku i metalu. Jutro wszystko to się zmieni.

"W urządzeniach wearables kluczowymi wymogami są elastyczność, rozciągliwość i możliwość prania" - mówi dr Veena Misra, profesor inżynierii elektrycznej na North Carolina State University i dyrektor ASSIST Center, finansowanego ze środków federalnych instytutu badawczego, który opracowuje urządzenia wearables wspomagające zdrowie.

"Widzimy tego rodzaju rozwój we wszystkich dziedzinach", mówi Misra, "i można to śledzić w liczbie prac [badawczych] wychodzących na temat wearables. Liczba ta rośnie wykładniczo".

Mamy tendencję do myślenia o wearables jako zabawnych gadżetach konsumenckich, ale rosnąca szkoła myślenia mówi, że drastycznie poprawią one opiekę zdrowotną - zapewniając pojazd do ciągłego, długoterminowego monitorowania w celu przewidywania zdarzeń niepożądanych i ścisłego śledzenia choroby, poprawy leczenia i wyników zdrowotnych na całym świecie.

Aby tak się stało, urządzenia wearables muszą bezproblemowo współpracować z naszym ciałem. Oznacza to, że konwencjonalnie twarde, sztywne urządzenia i systemy muszą być bardziej podobne do ludzkiej skóry - miękkie, zginane i rozciągliwe.

Jak można to osiągnąć? Przeprojektowując elektronikę na poziomie molekularnym, miniaturyzując czujniki i tworząc niespotykane źródła zasilania, aby wspierać to, co inżynierowie nazywają "współczynnikiem kształtu" zbliżonym do skóry.

Jakby to powiedzieć, to nie jest science fiction. To dzieje się w tej chwili, a nowe produkty, które powstaną dzięki tym postępom - potencjalnie rozpoczynając od opieki zdrowotnej i przechodząc na rynek konsumencki - mogą stać się tak normalne, jak ten nieporęczny, nieelastyczny telefon, którego nie możesz odłożyć. Oto jak.

Dlaczego czynnik kształtu ma znaczenie?

Urządzenie, które dopasowuje się do ciała użytkownika, jest lepsze pod dwoma względami: Jest mniej uciążliwe dla użytkownika i pozwala na bardziej wiarygodne pomiary.

"Czujniki i systemy czujników często cierpią z powodu niedopasowania mechanicznego" - mówi dr Alper Bozkurt, inżynier elektryk, współpracownik Misry z NC State i ASSIST. "Jeśli masz miękką tkankę, która się porusza, ale sztywny czujnik, który się nie porusza, twój pomiar może nie być wiarygodny".

Dzieje się tak dlatego, że całe to dodatkowe obijanie się pomiędzy urządzeniem a ciałem użytkownika objawia się jako "szum" - bezsensowna informacja, która może zniekształcić pomiar i doprowadzić do fałszywych wniosków.

Bozkurt zauważa, że jest jeszcze "czynnik ludzki" - kwestia zgodności z przepisami.

"Jednym z wyzwań jest to, że projektujemy rzeczy w laboratorium, testujemy wszystko i przedstawiamy je naszym operatorom medycznym, a oni unoszą brwi i mówią: 'Nie, moi pacjenci nie będą tego nosić'" - mówi Bozkurt. "Nie można sobie wyobrazić przyszłości wearables bez rozwiązania kwestii zgodności z przepisami".

Ludzie chcą urządzenia, które jest wygodne, nie wystaje i wymaga niewielkiej interakcji, mówi Bozkurt. "Nazywamy to "wear-and-forget". Można to porównać do noszenia bandaża - na pewno zauważasz go od czasu do czasu, ale przeważnie zanika w tle, nie przeszkadzając w codziennych zadaniach i nie dając innym nawet zauważyć, że tam jest.

Zegarek na rękę może wydawać się wystarczająco wygodny, ale jego zastosowania wykraczają poza to, co zegarek może umożliwić, zauważa dr Michael Daniele, członek zespołu NC State / ASSIST, który bada miękkie nanomateriały w celu opracowania urządzeń monitorujących, naśladujących lub uzupełniających funkcje organizmu.

Urządzenia do noszenia są opracowywane, aby pomagać pacjentom, a nawet leczyć ich w sposób, "w którym komfort pacjenta jest priorytetem" - mówi.

Jako przykład niech posłuży zastosowanie elektrod i elektroniki w gniazdach protez kończyn dolnych. "Wyobraź sobie kilka metalowych śrub wciskających się w twoją kończynę, na której utrzymujesz cały swój ciężar, albo wyobraź sobie wypełnienie buta tablicą kamieni. To jest właśnie stan wearables dla takiego użytkownika".

OK, więc jak zrobić elektronikę miękką i rozciągliwą?

Jednym ze sposobów jest wzięcie twardych rzeczy używanych do monitorowania zdrowia - takich jak chipy krzemowe - i uczynienie ich tak cienkimi, że stają się elastyczne. Jednym z pierwszych, którzy zademonstrowali ten rodzaj technologii materiałowej w urządzeniach wearable przypominających skórę, był dr John Rogers w 2011 roku w przełomowym artykule Science zatytułowanym Epidermal Electronics.

"Byliśmy dość aktywni w tej dziedzinie przez kilka lat", mówi Rogers, który w tym czasie pracował na Uniwersytecie Illinois, a od tego czasu przeniósł się na Uniwersytet Northwestern. "Ale wtedy zdaliśmy sobie sprawę, że nawet krzem - o którym większość ludzi myśli jako o bardzo sztywnym, kruchym materiale przypominającym skałę - może być wykonany w formach i kształtach oraz przy grubości, która pozwala na jego zginanie i ... nawet rozciąganie".

Rogers, którego zespół ma w opracowaniu kilka aplikacji, wykorzystuje technikę trawienia do ogołacania powierzchni płytki półprzewodnikowej.

"Okazuje się, że cała akcja w tych układach scalonych dzieje się na tej bardzo bliskiej powierzchni warstwie", mówi. "Cały krzem pod spodem służy jedynie jako mechaniczne wsparcie".

Ta krytyczna warstwa jest następnie osadzana w elastycznej matrycy polimerowej, wyjaśnia Rogers, co pozwala im projektować w pełni funkcjonujące systemy, które mogą się zginać, skręcać i rozciągać.

Jeszcze inni stosują inne podejście, budując części elektroniczne od podstaw z materiałów, które z natury są miękkie i rozciągliwe - polimerów. Taką pracę wykonuje inżynier chemiczny ze Stanford, dr Zhenan Bao, wykorzystując szereg polimerów o właściwościach przewodzących.

"W naszej pracy zdobywamy fundamentalne zrozumienie, jak projektować cząsteczki tworzyw sztucznych tak, aby miały pożądane przez nas funkcje i właściwości" - mówi Bao. W przypadku elektroniki przypominającej skórę, tworzywa sztuczne są projektowane - na poziomie molekularnym - tak, aby przewodziły prąd, były elastyczne i miękkie.

Jednym z najnowszych osiągnięć laboratorium Bao jest polimer, który świeci, umożliwiając wyświetlanie obrazu jak na skórze. Bao wyobraża sobie plaster na skórę z wyświetlaczem bezpośrednio na niej lub, idąc dalej, wizytę w ramach telezdrowia, podczas której lekarz mógłby zobaczyć i poczuć teksturę skóry pacjenta za pomocą trójwymiarowego, realistycznego wyświetlacza. Przykład: Jednym z badań sprawdzających, czy pacjenci z niewydolnością serca nie zatrzymują wody w organizmie, jest naciskanie na skórę, aby sprawdzić, czy się odbija - mówi Bao. Pacjent owinąłby elektroniczną naklejkę wokół nogi i nacisnął na nią, aby wygenerować wyświetlacz dla lekarza poza siedzibą firmy. "Lekarz byłby w stanie poczuć na wyświetlaczu teksturę skóry, którą czułby pacjent", mówi - z odległej lokalizacji.

"Oczywiście, to wciąż daleka przyszłość" - zauważa Bao. "Ale to jest to, co moim zdaniem byłoby możliwe, co mogą umożliwić wyświetlacze i czujniki podobne do skóry".

Więcej dzikich postępów: Płynne metale, wiązanie plazmowe, czujniki chemiczne

Nadal trwają prace nad innymi rozwiązaniami. Postępy w dziedzinie płynnych metali pozwalają na stworzenie rozciągliwych przewodów przewodzących. Tekstylne, odporne na wilgoć anteny mogą przesyłać dane, gdy są noszone blisko skóry. Metody takie jak łączenie za pomocą plazmy z parą wodną umożliwiają łączenie cienkich metali z miękkimi polimerami bez utraty elastyczności lub stosowania wysokiej temperatury i ciśnienia, które mogą uszkodzić supercienką elektronikę.

Czujniki również ulegają poprawie - jest to część, która wchodzi w interakcję z tym, co próbujesz zmierzyć. Większość komercyjnych czujników do noszenia to czujniki mechaniczne (używane do śledzenia aktywności fizycznej) lub optyczne (bicie serca, pulsoksymetria). Jednak opracowywane są również czujniki chemiczne, które mierzą wewnętrzne markery w organizmie. Mają one kluczowe znaczenie dla ujawnienia pełnego obrazu stanu zdrowia, mówi Joseph Wang, doktor nauk ścisłych i profesor nanoinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, który opublikował badania na temat biosensorów i urządzeń do noszenia.

Na przykład, wzrost mleczanu i spadek ciśnienia krwi może oznaczać, że masz wstrząs septyczny. Pomiar poziomu potasu może dać informacje o zmianach w rytmie serca. A połączenie pomiarów ciśnienia krwi i glukozy może ujawnić więcej o zdrowiu metabolicznym niż którekolwiek z nich samodzielnie. "Jeśli połączysz je, otrzymasz lepsze dowody" - mówi Wang.

W tym miejscu nowa technologia może stać się naprawdę geekowska. Czujniki chemiczne są wykonane z najbardziej egzotycznych nano materiałów, w tym grafenu, nanorurek węglowych i nanocząstek złota, mówi Daniele. Niektóre z nich (w szczególności czujniki glukozy) wykorzystują enzymy, które wiążą się z docelowymi cząsteczkami. Inne wykorzystują aptamery, krótkie pojedyncze nici DNA lub RNA.

Czujniki chemiczne zazwyczaj pracują z płynem ustrojowym, takim jak pot, ślina, łzy lub - jak w przypadku ciągłych monitorów glukozy - płyn śródmiąższowy (płyn pomiędzy komórkami ciała).

"Większość rzeczy, które chcesz zmierzyć we krwi, będziesz mógł zrobić w płynie śródmiąższowym, jeśli będziesz miał technologię czujników", mówi dr Jason Heikenfeld, profesor inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie w Cincinnati. Wyobraź sobie, że możesz wykonać pełne badanie krwi po prostu zakładając plaster na skórę, bez konieczności pobierania próbki krwi.

Heikenfeld badał również pot, który wydaje się przydatny do pomiaru poziomu hormonów (takich jak te, które regulują stres, seks i sen) i monitorowania leków na receptę - czyli monitorowania poziomu leku w organizmie i śledzenia, jak szybko jest on metabolizowany, mówi.

Czujniki potu mogą również znaleźć miejsce w testach domowych, mówi Heikenfeld. "Gdyby istniała nagroda za wybór płynów biologicznych, wygrałby pot", mówi. "Nie chcemy pobierać krwi, nie chcemy ślinić się do kubka, nie chcemy kombinować z patyczkiem do moczu. Łzy, zapomnij o tym. Test byłby prostym plastrem, który nakleja się na ramię, zbiera trochę płynu, wkłada do koperty i wysyła do laboratorium."

Źródła energii do noszenia: Poza bateriami AA

Jeśli chcesz stworzyć rozciągliwe, elastyczne urządzenie elektroniczne, będziesz potrzebował rozciągliwego, elastycznego, a nawet zmywalnego sposobu jego zasilania. Wiele z dzisiejszych urządzeń wearables, takich jak smartwatche, jest zasilanych przez bardzo małe, ale wciąż sztywne baterie, mówi Bao. Stąd też nieporęczna forma.

"Z pewnością istnieje duże zapotrzebowanie na naprawdę elastyczne baterie o wysokiej gęstości energetycznej", mówi.

Zapotrzebowanie to skłoniło naukowców z całego świata do opracowania baterii, które mogą się rozciągać i zginać. Aby wymienić tylko kilka ostatnich przykładów, kanadyjscy naukowcy opracowali elastyczną, zmywalną baterię, która może rozciągnąć się do podwójnej długości i nadal działać. W Singapurze naukowcy stworzyli cienką jak papier biodegradowalną baterię cynkową, którą można zginać, skręcać, a nawet przecinać nożyczkami - jak każdy kawałek papieru - i nadal będzie działać. Jeszcze inni projektują baterie w długie paski, które można wykorzystać w inteligentnej odzieży.

Inną opcją jest zasilanie bezprzewodowe, mówi Bao. Bateria nie musi znajdować się w urządzeniu - może być w ubraniu lub kieszeni i nadal zasilać czujniki. Laboratorium Bao w Stanford opracowało naklejkę o nazwie BodyNet, która może być ładowana za pomocą identyfikacji radiowej, tej samej technologii, która jest używana do kontrolowania bezkluczowych wejść do zamkniętych pomieszczeń.

Jeszcze inni - jak Misra i jej koledzy z ASSIST - badają alternatywne rozwiązania w zakresie baterii, takie jak pozyskiwanie energii, czyli przekształcanie ciepła ciała, energii słonecznej lub ruchu w energię.

Misra pracuje nad generatorem energii, który może przekształcić różnicę temperatur pomiędzy skórą a pomieszczeniem w energię do zasilania urządzenia. "Masz temperaturę skóry, powiedzmy, 98,6 stopni", mówi. "Temperatura w twoim pokoju wynosi prawdopodobnie około 70 stopni Fahrenheita. I ta różnica temperatur 28 stopni może być zrzucona przez urządzenie zwane generatorem termoelektrycznym, który może przekształcić tę różnicę energii w moc."

Proszę sobie wyobrazić: Koniec z martwieniem się o to, że bateria umrze, zamoczy się lub trzeba będzie ją naładować. "Twoje ciało jest baterią" - mówi Misra.

Co dalej

Aby urządzenia wearables mogły w pełni wykorzystać swój potencjał, wszystkie ich części muszą stać się bardziej energooszczędne i połączyć się w elastyczny, rozciągliwy pakiet - mówi Misra. Muszą być również zaprojektowane w taki sposób, aby miliony, jeśli nie miliardy ludzi chciały je nosić.

Równie ważne: Urządzenia przeznaczone dla świata medycznego muszą dostarczać dane najwyższej jakości. Jeśli zebrane dane nie są na miarę złota, to co z tego? A wszystkie te dane muszą być przekształcone w użyteczne informacje. Tu właśnie wkracza analityka danych, uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja. "Nie są to problemy nie do rozwiązania" - mówi Misra - "ale są to ekscytujące problemy, nad którymi pracuje duża część społeczności".

Wniosek: Nasza przyszłość w dziedzinie wearable jest na dobrej drodze.