מהפכה בתקשורת אלחוטית: כיצד שבבים זעירים יכולים לשנות את הטכנולוגיה הרפואית

שיטה חדשנית זו מעודדת את הפיתוח של טכנולוגיית חיישנים אלחוטיים ופותחת את הדלת לשימוש פוטנציאלי במספר עצום של חיישנים לא פולשניים במכשירי מיקרו ביו-רפואיים ניתנים להשתלה ולביש בעתיד.

שבבים זעירים עשויים להשתוות לפריצת דרך גדולה עבור צוות של מדענים בראשות מהנדסי אוניברסיטת בראון.

בכתב ב-Nature Electronics, צוות המחקר מתאר גישה חדשה לרשת תקשורת אלחוטית שיכולה לשדר, לקבל ולפענח ביעילות נתונים מאלפי שבבים מיקרואלקטרוניים שכל אחד מהם אינו גדול מגרגר מלח.

רשת החיישנים מתוכננת כך שניתן להשתיל את השבבים בגוף או לשלב אותם במכשירים לבישים. כל חיישן סיליקון בגודל תת-מילימטר מחקה כיצד נוירונים במוח מתקשרים באמצעות עליות של פעילות חשמלית. החיישנים מזהים אירועים ספציפיים כקוצים ואז מעבירים את הנתונים האלה באופן אלחוטי בזמן אמת באמצעות גלי רדיו, וחוסכים הן באנרגיה והן ברוחב הפס.

העברת נתונים יעילה בהשראת המוח

"המוח שלנו עובד בצורה דלילה מאוד", אמר ג'יהון לי, חוקר פוסט-דוקטורט ב-Brown ומחבר המחקר הראשי. "נוירונים לא יורים כל הזמן. הם דוחסים נתונים ויורים בדלילות כך שהם יעילים מאוד. אנחנו מחקים את המבנה הזה כאן בגישת התקשורת האלחוטית שלנו. החיישנים לא ישלחו נתונים כל הזמן – הם פשוט ישלחו נתונים רלוונטיים לפי הצורך בתור התפרצויות קצרות של קוצים חשמליים, והם יוכלו לעשות זאת ללא תלות בחיישנים האחרים וללא תיאום עם מקלט מרכזי. על ידי כך, נצליח לחסוך הרבה אנרגיה ולהימנע מהצפת מרכז המקלט המרכזי שלנו בנתונים פחות משמעותיים".

ערכת שידור תדר רדיו זו גם הופכת את המערכת לניתנת להרחבה ומתמודדת עם בעיה נפוצה עם רשתות תקשורת חיישן נוכחיות: יש צורך לסנכרן את כולן בצורה מושלמת כדי לעבוד היטב.

החוקרים אומרים שהעבודה מסמנת צעד משמעותי קדימה בטכנולוגיית חיישנים אלחוטיים בקנה מידה גדול ועשויה יום אחד לעזור לעצב את האופן שבו מדענים אוספים ומפרשים מידע ממכשירי הסיליקון הקטנים הללו, במיוחד מאז שחיישנים אלקטרוניים הפכו נפוצים בכל מקום כתוצאה מטכנולוגיה מודרנית.

"אנחנו חיים בעולם של חיישנים", אמר ארטו נורמיקו, פרופסור בבית הספר להנדסה של בראון והמחבר הבכיר של המחקר. "הם נמצאים בכל מקום. הם בהחלט נמצאים ברכבים שלנו, הם נמצאים בכל כך הרבה מקומות עבודה ונכנסים יותר ויותר לבתים שלנו. הסביבה התובענית ביותר עבור חיישנים אלה תמיד תהיה בתוך גוף האדם".

יישומים בחיישנים ביו-רפואיים

זו הסיבה שהחוקרים מאמינים שהמערכת יכולה לעזור להניח את הבסיס לדור הבא של חיישנים ביו-רפואיים הניתנים להשתלה ולביש. יש צורך הולך וגובר ברפואה במכשירי מיקרו שהם יעילים, לא פולשניים ולא מורגשים אך פועלים גם כחלק מהרכבים גדולים למיפוי פעילות פיזיולוגית על פני תחום עניין שלם.

"זהו אבן דרך במונחים של פיתוח מיקרו-חיישן אלחוטי מבוסס ספייקים", אמר לי. "אם נמשיך להשתמש בשיטות קונבנציונליות, לא נוכל לאסוף את נתוני הערוצים הגבוהים שיישומים אלה ידרשו במערכות מסוג זה של הדור הבא."

האירועים שהחיישנים מזהים ומשדרים יכולים להיות התרחשויות ספציפיות כמו שינויים בסביבה שהם מנטרים, כולל תנודות בטמפרטורה או נוכחות של חומרים מסוימים.

החיישנים מסוגלים להשתמש במעט אנרגיה כפי שהם עושים מכיוון שמקלטי משדר חיצוניים מספקים כוח אלחוטי לחיישנים בזמן שהם משדרים את הנתונים שלהם – כלומר הם רק צריכים להיות בטווח של גלי האנרגיה שנשלחים על ידי מקלט המשדר כדי לקבל טעינה. יכולת זו לפעול ללא צורך בחיבור למקור מתח או סוללה הופכת אותם לנוחים וגמישים לשימוש במצבים רבים ושונים.

הצוות עיצב ודמה את האלקטרוניקה המורכבת במחשב ועבד דרך מספר איטרציות ייצור כדי ליצור את החיישנים. העבודה מתבססת על מחקר קודם מהמעבדה של נורמיקו בבראון שהציגה סוג חדש של מערכת ממשק עצבית בשם "נוירוגרינים". מערכת זו השתמשה ברשת מתואמת של חיישנים אלחוטיים זעירים כדי לתעד ולעורר פעילות מוחית.

"השבבים האלה הם די מתוחכמים כמכשירים מיקרואלקטרוניים מיניאטוריים, ולקח לנו זמן להגיע לכאן", אמר נורמיקו, המזוהה גם עם מכון קרני למדעי המוח של בראון. "כמות העבודה והמאמץ הנדרשים בהתאמה אישית של מספר הפונקציות השונות במניפולציה של הטבע האלקטרוני של החיישנים הללו – שהם בעצם סחוטים לשבריר של מילימטר שטח של סיליקון – אינה טריוויאלית."

פיתוח וכיווני עתיד

החוקרים הוכיחו את היעילות של המערכת שלהם, כמו גם עד כמה ניתן להגדיל אותה. הם בדקו את המערכת באמצעות 78 חיישנים במעבדה ומצאו שהם מסוגלים לאסוף ולשלוח נתונים עם מעט שגיאות, גם כאשר החיישנים שידרו בזמנים שונים. באמצעות סימולציות, הם הצליחו להראות כיצד לפענח נתונים שנאספו ממוחם של פרימטים באמצעות כ-8,000 חיישנים שהושתלו באופן היפותטי.

החוקרים אומרים שהשלבים הבאים כוללים אופטימיזציה של המערכת לצריכת חשמל מופחתת וחקירת יישומים רחבים יותר מעבר לנוירוטכנולוגיה.

"העבודה הנוכחית מספקת מתודולוגיה שנוכל להמשיך עליה", אמר לי.

המחקר מומן על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות.