Revolúcia čipov tenších ako ľudský vlas otvára dvere "neviditeľnej" medicíny

• Čip integrovaný vo vlákne má 100 000 tranzistorov na centimeter.

• Vlákno vydrží tlak 15,6 tony a bežné pranie.

• Technológia umožňuje mäkké rozhrania mozog-počítač bez externých procesorov.

Svet nositeľnej elektroniky dlho narážal na fundamentálny fyzikálny limit, ktorým bola rigidita kremíka. Tradičné čipy sú krehké, ploché a vyžadujú pevné puzdrá, čo je v priamom rozpore s flexibilitou ľudského tela a textílií. Tím vedcov z Univerzity Fudan pod vedením profesora Penga Huishenga však tento paradigmatický problém vyriešil inovatívnym výrobným procesom.

Inšpiráciu našli v kulinárskej technike rolovania sushi, čo im umožnilo obísť obmedzenia fotolitografie na zakrivených povrchoch. Proces začína vytvorením komplexných obvodov na plochej, ultratenkej vrstve polyméru. Táto vrstva slúži ako substrát pre tranzistory, kondenzátory a logické obvody, ktoré sú na ňu nanesené s nanometrovou presnosťou.

Po dokončení obvodov sa celá štruktúra zroluje do tesnej špirály, čím vznikne vlákno s priemerom v rádoch mikrometrov. Výsledkom je funkčný polovodičový prvok, ktorý má mechanické vlastnosti textilného vlákna, no výpočtový výkon kremíkového čipu.  

Už nejde o pripojenie zariadenia k látke, ale o premenu látky na zariadenie. Hustota integrácie dosahuje úroveň 100 000 tranzistorov na jeden centimeter dĺžky, čo je hodnota porovnateľná s komerčnými čipmi strednej triedy. Kľúčovou vlastnosťou je však extrémna odolnosť, ktorú táto špirálová štruktúra poskytuje.

Pri náročných záťažových testoch bolo vlákno vystavené tlaku 15 600 kilogramov pod kolesami nákladného vozidla. Napriek tejto drvivej sile si čip zachoval plnú funkčnosť bez prerušenia obvodov. Táto robustnosť garantuje, že oblečenie s integrovanými čipmi prežije bežné zaobchádzanie vrátane prania v práčke a krčenia pri nosení.

Na rozdiel od doterajších riešení, ktoré fungovali len ako pasívne senzory pripojené k externej riadiacej jednotke, tieto vlákna sú plnohodnotnými počítačmi. Dokážu autonómne zbierať biomedicínske dáta priamo z povrchu kože. Následne ich vedia spracovávať pomocou jednoduchých neurónových sietí integrovaných priamo v štruktúre vlákna.

Výsledky analýzy môžu bezdrôtovo odosielať do externých zariadení, no kritické vyhodnotenie prebieha lokálne. V praxi to znamená tričko, ktoré nielen meria EKG, ale dokáže v reálnom čase diagnostikovať arytmiu bez potreby smartfónu. Energetická efektivita je optimalizovaná pre nízkonapäťové operácie, čo je kľúčové pre dlhodobé nosenie.

Napájanie môže byť riešené z mikroskopických batérií alebo dokonca z telesného tepla nositeľa. Medicínsky potenciál tejto technológie siaha ďaleko za hranice spotrebnej elektroniky a fitness náramkov. Mäkké a flexibilné vlákna sú ideálnym kandidátom na intrakraniálne implantáty a rozhrania mozog-počítač.

Súčasné elektródy používané v neurológii sú často príliš tvrdé a spôsobujú mikroskopické poškodenia mäkkého mozgového tkaniva. Vláknové čipy sa vďaka svojej pružnosti môžu prispôsobiť mikropohybom tkaniva. Tým sa minimalizuje riziko zápalových procesov a umožňuje to dlhodobé monitorovanie mozgovej aktivity.

Vedci veria, že táto technológia otvorí dvere k novej generácii "neviditeľnej" medicíny. Pacienti s chronickými ochoreniami by mohli byť monitorovaní nepretržite bez toho, aby si to uvedomovali. Odpadla by nutnosť nosiť nepohodlné prístroje alebo chodiť na časté kontroly do nemocnice.

Vlákna by mohli slúžiť aj ako aktívne terapeutické nástroje, ktoré by na základe zozbieraných dát stimulovali nervové zakončenia. Navyše, táto technológia má potenciál aj v oblasti virtuálnej reality a haptickej odozvy. Rukavice utkané z týchto vlákien by mohli poskytovať realistický hmatový vnem pri interakcii s digitálnymi objektmi.

Výroba týchto vlákien je škálovateľná, čo dáva nádej na ich skoré komerčné nasadenie. Výskumný tím už demonštroval funkčné prototypy, ktoré dokážu ovládať jednoduché hry alebo zobrazovať text. Budúcnosť, kde naše oblečenie bude naším najvýkonnejším počítačom, je vďaka tomuto objavu bližšie než kedykoľvek predtým.

^{Zdroj: interestingengineering.com foto: China Daily}