A rede de sensores é projetada para que os chips possam ser implantados no corpo ou integrados em dispositivos vestíveis. Cada sensor de silício de tamanho submilimétrico imita como os neurônios do cérebro se comunicam por meio de picos de atividade elétrica. Crédito: Nick Dentamaro/Brown University
Este método inovador promove o desenvolvimento da tecnologia de sensores sem fio e abre a porta para o uso potencial de um grande número de sensores discretos em microdispositivos biomédicos implantáveis e vestíveis no futuro.
Pequenos chips podem representar um grande avanço para uma equipe de cientistas liderada por engenheiros da Brown University.
Escrevendo na Nature Electronics, a equipe de pesquisa descreve uma nova abordagem para uma rede de comunicação sem fio que pode transmitir, receber e decodificar com eficiência dados de milhares de chips microeletrônicos, cada um não maior que um grão de sal.
A rede de sensores é projetada para que os chips possam ser implantados no corpo ou integrados em dispositivos vestíveis. Cada sensor de silício de tamanho submilimétrico imita como os neurônios do cérebro se comunicam por meio de picos de atividade elétrica. Os sensores detectam eventos específicos como picos e depois transmitem esses dados sem fio em tempo real usando ondas de rádio, economizando energia e largura de banda.
Transmissão eficiente de dados inspirada no cérebro
“Nosso cérebro funciona de forma muito esparsa”, disse Jihun Lee, pesquisador de pós-doutorado na Brown e principal autor do estudo. “Os neurônios não disparam o tempo todo. Eles compactam dados e disparam de forma esparsa, o que os torna muito eficientes. Estamos imitando essa estrutura aqui em nossa abordagem de telecomunicações sem fio. Os sensores não enviariam dados o tempo todo – apenas enviariam dados relevantes conforme necessário, como pequenas rajadas de picos elétricos, e seriam capazes de fazê-lo independentemente dos outros sensores e sem coordenação com um receptor central. Ao fazer isso, conseguiríamos economizar muita energia e evitaria inundar nosso hub receptor central com dados menos significativos.”
Este esquema de transmissão de radiofrequência também torna o sistema escalável e resolve um problema comum nas atuais redes de comunicação de sensores: todas elas precisam estar perfeitamente sincronizadas para funcionar bem.
Escrevendo em Eletrônica da Natureza, a equipe de pesquisa descreve uma nova abordagem para uma rede de comunicação sem fio que pode transmitir, receber e decodificar com eficiência dados de milhares de chips microeletrônicos, cada um não maior que um grão de sal. Crédito: Nick Dentamaro/Brown University
Os investigadores dizem que o trabalho marca um avanço significativo na tecnologia de sensores sem fios em grande escala e pode um dia ajudar a moldar a forma como os cientistas recolhem e interpretam informações destes pequenos dispositivos de silício, especialmente porque os sensores electrónicos se tornaram omnipresentes como resultado da tecnologia moderna.
“Vivemos num mundo de sensores”, disse Arto Nurmikko, professor da Escola de Engenharia de Brown e autor sênior do estudo. “Eles estão por toda parte. Eles certamente estão em nossos automóveis, estão em muitos locais de trabalho e cada vez mais entrando em nossas casas. O ambiente mais exigente para estes sensores estará sempre dentro do corpo humano.”
Aplicações em Sensores Biomédicos
É por isso que os pesquisadores acreditam que o sistema pode ajudar a estabelecer as bases para a próxima geração de sensores biomédicos implantáveis e vestíveis. Há uma necessidade crescente na medicina de microdispositivos que sejam eficientes, discretos e imperceptíveis, mas que também operem como parte de um grande conjunto para mapear a atividade fisiológica em toda uma área de interesse.
“Este é um marco em termos de desenvolvimento real deste tipo de microssensor sem fio baseado em picos”, disse Lee. “Se continuarmos a usar métodos convencionais, não poderemos coletar os dados de alto canal que essas aplicações exigirão nesses tipos de sistemas de próxima geração.”
Os eventos que os sensores identificam e transmitem podem ser ocorrências específicas, como mudanças no ambiente que estão monitorando, incluindo flutuações de temperatura ou a presença de determinadas substâncias.
Os sensores são capazes de usar o mínimo de energia porque os transceptores externos fornecem energia sem fio aos sensores à medida que transmitem seus dados – o que significa que eles só precisam estar dentro do alcance das ondas de energia enviadas pelo transceptor para serem carregados. Essa capacidade de operar sem a necessidade de estar conectado a uma fonte de energia ou bateria os torna convenientes e versáteis para uso em diversas situações.
A equipe projetou e simulou a complexa eletrônica em um computador e trabalhou em diversas iterações de fabricação para criar os sensores. O trabalho baseia-se em pesquisas anteriores do laboratório de Nurmikko em Brown, que introduziu um novo tipo de sistema de interface neural chamado “neurogrãos”. Este sistema utilizou uma rede coordenada de minúsculos sensores sem fio para registrar e estimular a atividade cerebral.
“Esses chips são bastante sofisticados como dispositivos microeletrônicos em miniatura, e demoramos um pouco para chegar aqui”, disse Nurmikko, que também é afiliado ao Carney Institute for Brain Science de Brown. “A quantidade de trabalho e esforço necessários para personalizar as diversas funções diferentes na manipulação da natureza eletrônica desses sensores – que são basicamente reduzidos a uma fração de milímetro de silício – não é trivial.”
Desenvolvimento e direções futuras
Os pesquisadores demonstraram a eficiência de seu sistema, bem como o quanto ele poderia ser ampliado. Eles testaram o sistema usando 78 sensores em laboratório e descobriram que eram capazes de coletar e enviar dados com poucos erros, mesmo quando os sensores transmitiam em momentos diferentes. Por meio de simulações, eles conseguiram mostrar como decodificar dados coletados do cérebro de primatas usando cerca de 8 mil sensores hipoteticamente implantados.
Os pesquisadores dizem que os próximos passos incluem a otimização do sistema para redução do consumo de energia e a exploração de aplicações mais amplas além da neurotecnologia.
“O trabalho atual fornece uma metodologia que podemos desenvolver ainda mais”, disse Lee.
Referência: “Uma rede sem fio assíncrona para capturar dados orientados a eventos de grandes populações de sensores autônomos” por Jihun Lee, Ah-Hyoung Lee, Vincent Leung, Farah Laiwalla, Miguel Angel Lopez-Gordo, Lawrence Larson e Arto Nurmikko, 19 de março de 2024 , Eletrônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41928-024-01134-y
O estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Saúde.
