Le dispositif détecte et transmet sans fil des signaux liés au pouls, à la sueur et à l’exposition aux ultraviolets, sans puce ni batterie encombrante.
Les capteurs portables sont omniprésents grâce à la technologie sans fil qui permet de transmettre de manière transparente les concentrations de glucose, la pression sanguine, la fréquence cardiaque et les niveaux d’activité d’une personne du capteur au smartphone pour une analyse plus approfondie.
La plupart des capteurs sans fil actuels communiquent via des puces Bluetooth intégrées, elles-mêmes alimentées par de petites piles. Mais ces puces et sources d’énergie conventionnelles seront probablement trop encombrantes pour les capteurs de la prochaine génération, qui prennent des formes plus petites, plus fines et plus souples.
Les ingénieurs du MIT ont conçu un nouveau type de capteur portable qui communique sans fil sans nécessiter de puces ou de batteries embarquées. Leur conception, détaillée aujourd’hui dans la revue Science, ouvre la voie à des capteurs sans fil sans puce.
Le capteur conçu par l’équipe est une forme de peau électronique, ou « e-skin » – un film souple et semi-conducteur qui se conforme à la peau comme un ruban adhésif électronique. Le cœur du capteur est un film ultrafin de haute qualité en nitrure de gallium, un matériau connu pour ses propriétés piézoélectriques, c’est-à-dire qu’il peut à la fois produire un signal électrique en réponse à une contrainte mécanique et vibrer mécaniquement en réponse à une impulsion électrique.
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient exploiter les propriétés piézoélectriques bidirectionnelles du nitrure de gallium et utiliser le matériau simultanément pour la détection et la communication sans fil.
Dans leur nouvelle étude, l’équipe a produit des échantillons purs et monocristallins de nitrure de gallium, qu’elle a associés à une couche conductrice d’or pour renforcer tout signal électrique entrant ou sortant. Ils ont montré que le dispositif était suffisamment sensible pour vibrer en réponse aux battements du cœur d’une personne, ainsi qu’au sel contenu dans sa sueur, et que les vibrations du matériau généraient un signal électrique qui pouvait être lu par un récepteur situé à proximité. De cette manière, le dispositif a pu transmettre sans fil des informations de détection, sans avoir besoin de puce ou de batterie.
« Les puces consomment beaucoup d’énergie, mais notre dispositif pourrait rendre un système très léger sans avoir de puces gourmandes en énergie », explique l’auteur correspondant de l’étude, Jeehwan Kim, professeur associé de génie mécanique et de science et génie des matériaux, et chercheur principal du laboratoire de recherche en électronique. « Vous pourriez le mettre sur votre corps comme un bandage, et associé à un lecteur sans fil sur votre téléphone portable, vous pourriez surveiller sans fil votre pouls, votre transpiration et d’autres signaux biologiques. »
Les coauteurs de M. Kim comprennent le premier auteur et ancien post-doc du MIT, Yeongin Kim, qui est maintenant professeur adjoint à l’université de Cincinnati ; le coauteur, Jiyeon Han, de la société coréenne de cosmétiques AMOREPACIFIC, qui a contribué à motiver les travaux actuels ; les membres du groupe de recherche de M. Kim au MIT ; et d’autres collaborateurs de l’université de Virginie, de l’université de Washington à Saint-Louis et de plusieurs institutions de Corée du Sud.
La résonance pure
Le groupe de Jeehwan Kim a précédemment mis au point une technique, appelée épitaxie à distance, qu’il a employée pour faire croître et décoller rapidement des semi-conducteurs ultrafins de haute qualité à partir de plaquettes recouvertes de graphène. Grâce à cette technique, ils ont fabriqué et exploré divers films électroniques flexibles et multifonctionnels.
Dans leur nouvelle étude, les ingénieurs ont utilisé la même technique pour décoller des films monocristallins ultrafins de nitrure de gallium, qui, sous sa forme pure et sans défaut, est un matériau piézoélectrique très sensible.
L’équipe a cherché à utiliser un film pur de nitrure de gallium à la fois comme capteur et comme communicateur sans fil des ondes acoustiques de surface, qui sont essentiellement des vibrations à travers les films. Les motifs de ces ondes peuvent indiquer le rythme cardiaque d’une personne ou, plus subtilement encore, la présence de certains composés sur la peau, comme le sel dans la sueur.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’un capteur à base de nitrure de gallium, collé à la peau, aurait sa propre vibration ou fréquence « résonante » inhérente, que le matériau piézoélectrique convertirait simultanément en un signal électrique, dont la fréquence pourrait être enregistrée par un récepteur sans fil. Toute modification de l’état de la peau, due par exemple à une accélération du rythme cardiaque, affecte les vibrations mécaniques du capteur et le signal électrique qu’il transmet automatiquement au récepteur.
« S’il y a un changement dans l’impulsion, ou des produits chimiques dans la sueur, ou même une exposition de la peau aux ultraviolets, toute cette activité peut changer le motif des ondes acoustiques de surface sur le film de nitrure de gallium », note Yeongin Kim. « Et la sensibilité de notre film est si élevée qu’il peut détecter ces changements ».
Transmission des ondes
Pour tester leur idée, les chercheurs ont produit un film mince de nitrure de gallium pur et de haute qualité et l’ont associé à une couche d’or pour renforcer le signal électrique. Ils ont déposé l’or selon un motif d’haltères répétés, une configuration en forme de treillis qui confère une certaine flexibilité au métal normalement rigide. Le nitrure de gallium et l’or, qu’ils considèrent comme un échantillon de peau électronique, ne mesure que 250 nanomètres d’épaisseur, soit environ 100 fois plus fin que la largeur d’un cheveu humain.
Ils ont placé la nouvelle peau électronique sur le poignet et le cou de volontaires et ont utilisé une simple antenne, tenue à proximité, pour enregistrer sans fil la fréquence du dispositif sans entrer en contact physique avec le capteur lui-même. Le dispositif a pu détecter et transmettre sans fil les changements des ondes acoustiques de surface du nitrure de gallium sur la peau des volontaires en fonction de leur rythme cardiaque.
L’équipe a également associé le dispositif à une fine membrane de détection d’ions – un matériau qui attire sélectivement un ion cible, en l’occurrence le sodium. Grâce à cette amélioration, l’appareil a pu détecter et transmettre sans fil les variations du taux de sodium lorsqu’un volontaire s’accrochait à un coussin chauffant et commençait à transpirer.
Les chercheurs considèrent leurs résultats comme une première étape vers des capteurs sans fil sans puce, et ils envisagent que le dispositif actuel puisse être associé à d’autres membranes sélectives pour surveiller d’autres biomarqueurs vitaux.
« Nous avons montré la détection du sodium, mais si vous changez la membrane de détection, vous pouvez détecter n’importe quel biomarqueur cible, comme le glucose ou le cortisol lié au niveau de stress », explique Jun Min Suh, co-auteur et post-doc du MIT. « C’est une plateforme assez polyvalente ».
