Электронное устройство, установленное в тело живого человека, сейчас уже не новость. Вживляемые под сетчатку микрочипы позволяют ослепшим людям снова видеть, а чипы, считывающие активность нейронов мозга, помогают двигаться парализованному человеку. Есть также имплантируемые устройства, которые фиксируют в мозге пациента характерные для приступов эпилепсии возбуждения, и, испуская собственные импульсы, предотвращают приступ. Несомненно, мы еще не раз вскоре услышим о новых достижениях в этой области.
Последние годы, помимо имплантируемых внутрь организма электронных устройств появились еще новые разработки, получившие в прессе название «электронные татуировки». Более строгим будет термин эпидермальная электроника, который использовали в 2011 году сотрудники Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне под руководством Джона Роджерса (John A. Rogers). Они тогда рассказали о своей разработке в журнале Science.
Такая «электронная татуировка» легко фиксировала электрическую активность в той части организма, на поверхности которой оказывалась. Прикрепленная к голове она считывала электроэнцефалограмму, на груди – следила за деятельностью сердца, на конечностях – фиксировала электрические импульсы в мышцах. Разработчики в одном из экспериментов закрепили микросхему на горле одного из своих коллег. В этом случае она отслеживала работу голосового аппарата.
Созданная ими микросхема из кремния и арсенида галлия была предназначена для медицинского мониторинга. Она включала датчики температуры, сенсоры, определяющие электрическую активность нейронов, а также радиоустройство для обратной связи и даже маленькую солнечную батарею. Вся эта «начинка» размещалась между двумя слоями полиимида – тонкого полимера, который уже давно используется для изготовления гибких печатных плат. Удерживалась вся конструкция на коже человека благодаря ван-дер-ваальсовым силам.
«Электронная татуировка» на руке
В том же 2011 году руководитель лаборатории наносенсеров Северо-Восточного университета (США) Хизер Кларк (Heather A. Clark) и ее коллеги продемонстрировали другую разработку. Они создали вживляемые под кожу полимерные шарики, которые позволяли отслеживать изменения уровня глюкозы и натрия в организме. Размер шариков всего 120 нанометров. Они содержат сенсорные молекулы, которые реагируют на глюкозу (или на натрий). Когда сенсорная молекула, захватывает свою цель, шарик меняет свои флуоресцентные свойства. Чтобы фиксировать это изменение, ученые модифицировали обычный iPhone, снабдив его специальными светодиодами. Прибор прижимали к коже, делали снимок флуоресцентной активности «нанотатуировки», затем снимок пересылается для анализа на удаленный компьютер. В дальнейшем планируется создать специальное приложение, которое анализировало бы эти данные.
В начале 2013 года Джон Роджерс и сотрудники его лаборатории улучшили свою разработку. Если ранее «электронная татуировка» наносилась на поверхность кожи и поэтому была довольно уязвима для внешних воздействий, например, боялась воды, то теперь ученые создали технологию «печати на коже», при помощи которой устройство размещается в роговом слое эпидермиса – самым верхнем слое кожи, состоящем из омертвевших чешуек.
«Электронная татуировка» в наружном слое кожи
В результате человек сможет носить «электронную татуировку» постоянно, а она будет следить за его состоянием в процессе повседневной жизни. После приблизительно двух недель, в ходе естественного отшелушивания частичек верхнего слоя кожи человека, «электронная татуировка» отпадет сама собой. Для последующего мониторинга ее надо будет закрепить снова. Так как устройство теперь находится внутри эпидермиса, стала ненужной подложка из эластомера, что позволило группе Роджерса уменьшить размер «татуировки» в 13 раз.
Лаборатория Тодда Коулмана (Todd Coleman) из Калифорнийского университета в Сан-Диего сосредоточилась на применении «электронных татуировок» в интерфейсах «мозг-компьютер». Коулман и ряд его коллег были соавторами Роджерса в публикации 2011 года. Теперь они хотят добиться, чтобы «электронная татуировка» позволяла человеку управлять различными устройствами. Размещенная на голове она будет считывать электрическую активность мозга и при помощи технологий беспроводной связи передавать команды компьютеру или другому техническому устройству. Регистрируя микроимпульсы в мышцах гортани, которыми сопровождается человеческая речь, «электронная татуировка» прикрепленная к шее сможет передавать на расстояние слова. Пока исследователям удалось при помощи такого устройства управлять движениями курсора на экране компьютера. Более совершенные чипы, размещаемые на специальных шлемах, надеваемых на голову, позволяют сейчас даже управлять полетом модели самолета, но «электронные татуировки» пока не могут обеспечить этого. Но исследователи рассчитывают, что вскоре добьются успеха.
Известный бразильский специалист по созданию интерфейсов «мозг-компьютер» Мишель Николелис, прославившийся разработкой манипуляторов и экзоскелетов, управляемых импульсами мозга, высоко оценивает перспективы таких «татуировок». Он считает создание неинвазивных технологий очень важным. «Люди должны управлять устройствами, просто думая. Или даже играть в игры, просто думая», – говорит он. Однако, повторим, пока мозговые имплантаты значительно лучше фиксируют активность нейронов.
Другое применение «электронных татуировок», над которыми сейчас работает лаборатория Колумана, относится к терапии болезни Альцгеймера. «Татуировка» должна регистрировать изменения в мозговой активности, что позволит врачу оценить степень эффективности применяемых лекарств. Также ученые считают, что «электронная татуировка» вскоре найдет применение в акушерстве. С ее помощью будет отслеживаться сердечная активность плода и наступление схваток.
В конце мая коллега Коулмана по Калифорнийскому университету в Сан-Диего – Вэньчжао Цзя (Wenzhao Jia) и ее соавторы из отделения наноинженерии представили свое исследование. Они занялись вопросом регистрации физической активности человека. Их доклад был прочитан на конференции Американского химического общества и опубликован в журнале Angewandte Chemie International Edition. Созданное ими устройство крепится на поверхность кожи. Заключенный в тонкую пленку датчик содержит фермент, реагирующий на появление молочной кислоты, выделяющейся в мышцах человека при физической нагрузке. Молочная кислота появляется в составе человеческого пота, в датчике после этого начинает вырабатываться слабый электрический ток. После экспериментов на добровольцах, занимавшихся на велотренажерах, исследователи смогли установить соответствие между вырабатываемым током и степенью физической активности.
Вэньчжао Цзя и ее коллеги полагают, что созданное ими устройство может быть не только средством медицинского мониторинга, но и биотопливным элементом, получающим энергию от человеческого пота. Пока производительность такого элемента невелика, она составляет максимум 70 микроватт на квадратный сантиметр кожи, но ученые рассчитывают ее повысить.
