新型纳米纹身无需电池或电线

KESHAN PERERA/HNUSTUDIO

This article is part of our exclusiveIEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore.

伊斯坦布尔两家机构的研究人员创造了能够与附近设备进行被动无线通信的纳米纹身，而不需要电池等外部电源。这一进步可能会推动许多生物传感技术的发展，到目前为止，这些技术一直因依赖庞大的外部电源或有线通信而受阻。

基于后向散射的纳米纹身传感器（backscattering-based nanotattoo sensor，BNTS）纹身由伊斯坦布尔叶迪特佩大学讲师Kristen D.Belcastro和伊斯坦布尔技术大学电子与通信系研发副主任Onur Ergen开发。

纹身由两种墨水组成——在石墨烯气凝胶导电墨水上嵌入纳米线的氧化锌墨水。这两种墨水通过单独的针同时涂在皮肤上。Ergen说，含有纳米线的墨水中也有一些气凝胶，尽管其比例低于下层，因此，两种墨水在接触时会结合。

这些设备的无线通信依赖于压电活动产生的电信号，随着纹身的形状变化，将机械能转化为电能，这就成为可能。纹身的无线网络基础设施使用智能手机从纹身上反射信号并接收数据，宽带调制解调器作为辅助设备。在最近发表在《IEEE电子设备快报》上的研究人员的工作中，该系统分析了运动范围。然而，Ergen表示，他们正在探索更多的用例。

ISTANBUL TECHNICAL UNIVERSITY/IEEE

研究人员在论文中写道：“当彩绘标签接收到射频（RF）信号时，它会反射一些信号，与智能手机阅读器建立上行链路，而智能手机则与标签建立下行链路。通过这些通信链路，智能手机可以持续监控BNTS，并使用人工智能算法处理信息。”

Ergen说，这种被称为环境反向散射的通信方法类似于RFID，但不依赖于有限数量的允许频率。研究人员使用900兆赫和2.45千兆赫的宽带调制解调器成功地从纹身中接收到信息。

Belcastro和Ergen创造的设备在原理上与其他电子纹身相似，不过，其中一个纹身的共同发明人表示，无线通信链路很有吸引力。

马萨诸塞大学阿默斯特分校即将上任的生物医学工程助理教授Dmitry Kireev说：“有一个被动无线纹身，可以从中获取信息，这是引起我注意的关键。”作为得克萨斯大学的博士后研究员，Kireev共同创造了一个可以准确测量血压的石墨烯纹身。然而，尽管纹身既薄又灵活，Kireev表示，纹身目前所需的有线连接是制作真正便捷设备的一个相当大的障碍。

Kireev说：“我们自己所做的一切都面临着互联的挑战，如果有一种方法可以完全无线地进行通信，那么这是一个非常有趣的概念。”

Kireev还表示，这种新的分层设备可能有助于推进石墨烯生物传感器的通信研究，石墨烯生物传感在实验室中非常受欢迎。

设备初创公司X-Cor Therapeutics负责技术和产品开发的副总裁Nicholas X.Williams在杜克大学读研究生时，共同开发了一种类似于Belcastro和Ergen设备的电子薄膜。这两种技术都直接在皮肤上创建了功能电路，而不是依赖于预先打印的传感器，Williams表示，这可能会为传感器市场带来未来的定制发展。

Williams说：“有很多用例，如果通过传统方式制造，你则需要不同的传感器和途径来创建运动医学的东西，而不是生物医学系统或成人与儿童的东西。如果你有打印系统，你可以专门为你需要的用例生成一个文件，这样就扩展了功能，而不需要仓库里装满各种形状、大小和预期用途的传感器。”

更多医疗保健的可能性及超越

Ergen说，他对纹身的研究正在扩展到医疗保健的其他方面。目前的一项研究是如何使用纹身作为无线脑电图传感器。而且，尽管目前的版本使用身体部位的弯曲来产生接收环境信号所需的能量，但Ergen表示，其他方法也可能奏效。例如，Ergen和其他研究人员之前曾探索过使用汗液传感器收集数据。

他说：“然而，我们最近的工作尚未发表，可以使用反向散射技术在不需要电池的情况下分析汗液和唾液。我们预计将在未来几个月内出版这项内容。”

生物传感设备只是埃尔根更大研究组合的一部分，该组合远远超出了医疗保健领域。Ergen最近获得了欧洲研究委员会（European Research Council）140万欧元的拨款，用于探索通过量子电子工程重新设计电池。即使是纹身，在额外的聚合物封装下已经稳定测试了四个多月，也可以部署在几乎任何需要无线通信的场景中。

Ergen说：“任何表面都可以用于此，它不仅限于人体。你可以把它放在汽车的任何地方 —— 这种不方便进行诊断的地方。所有新车都有无线网络。你可以在某个地方涂上这些东西并获取数据。如果你用我们的传感器涂在椅子上，你可以不断获得关于你坐姿的信息，也可以预测某个零件是否会因为你感觉到了不舒适而损坏。”