Sensores do tamanho de grãos de sal vão monitorar corpo humano

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2024

Os sensores transmitem, recebem e decodificam dados de milhares de chips microeletrônicos do tamanho de um grão de sal.
[Imagem: Nick Dentamaro/Brown]

Rede corporal

A ideia de poeira inteligente, ou poeira eletrônica, é antiga, com vários grupos trabalhando no desenvolvimento de sensores do tamanho de grãos de poeira, que possam ser espalhados por todos os lugares - já existem até computadores do tamanho de um grão de poeira.

O conceito agora se ampliou, atingindo o nível de uma rede de comunicação sem fios que pode transmitir, receber e decodificar com eficiência dados de milhares de chips microeletrônicos, cada um mais ou menos do tamanho de um grão de sal.

Ao contrário da maioria das linhas de pesquisas nessa área, centrada no monitoramento ambiental, esta rede de sensores foi projetada para que os chips possam ser implantados no corpo humano ou integrados em dispositivos vestíveis - para isso, eles são biomiméticos ou, mais especificamente, neuromórficos.

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 - os picos de disparo dos neurônios - e depois transmitem esses dados sem fio em tempo real usando ondas de rádio, economizando energia e largura de banda.

"Nosso cérebro funciona de forma muito esparsa," explicou Jihun Lee, da Universidade Brown, nos EUA. "Os neurônios não disparam o tempo todo. Eles compactam dados e disparam de forma esparsa, de modo que são muito eficientes. Estamos imitando essa estrutura aqui em nossa abordagem de telecomunicações sem fio. Os sensores não ficam enviando dados o tempo todo - eles apenas enviam dados relevantes conforme necessário, como pequenas rajadas de picos elétricos, e eles são capazes de fazer isto independentemente dos outros sensores e sem coordenação com um receptor central. Ao fazer isso, conseguimos economizar muita energia e evitamos inundar nosso receptor central com dados menos significativos."

Simulação da dispersão dos microssensores sobre o tecido cerebral.
[Imagem: Jihun Lee et al. - 10.1038/s41928-024-01134-y]

Neurogrãos

A equipe projetou e simulou a complexa eletrônica em um computador e trabalhou em diversas iterações de fabricação para criar os sensores, que eles chamam de "neurogrãos".

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 muitas situações diferentes, incluindo o monitoramento ambiental.

"Esses chips são bastante sofisticados como dispositivos microeletrônicos em miniatura e demoramos um pouco para chegar aqui," disse o professor Arto Nurmikko. "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."

Os nanogrãos já haviam sido testados como uma rede coordenada de sensores sem fio para registrar e estimular a atividade neuronal in vitro. Agora a equipe foi além, criando uma rede de 78 sensores que se mostraram 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.

Esquema e micrografias dos microssensores sem fio.
[Imagem: Jihun Lee et al. - 10.1038/s41928-024-01134-y]

Mundo de sensores

Este esquema de transmissão de radiofrequência torna o sistema escalável e resolve um problema comum nas atuais redes de comunicação de sensores sem fio: Todas elas precisam estar perfeitamente sincronizadas para funcionar bem.

Isto torna esta demonstração um avanço significativo na tecnologia de sensores sem fios em grande escala, prometendo ajudar a moldar a forma como recolhemos e interpretamos informações desses pequenos dispositivos de silício, especialmente porque os sensores eletrônicos se tornaram onipresentes como resultado da tecnologia moderna. É por isso que a equipe acredita que o sistema pode ajudar a estabelecer as bases para a próxima geração de sensores biomédicos implantáveis e vestíveis - uma rede corporal, ou mesmo uma "internet do corpo".

"Nós vivemos em um mundo de sensores," disse Nurmikko. "Eles estão por toda parte. Certamente estão em nossos automóveis, estão em muitos locais de trabalho e cada vez mais entrando em nossas casas. O ambiente mais exigente para esses sensores estará sempre dentro do corpo humano."

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, seja para a pesquisa científica, seja para o tratamento de problemas de saúde.

• Até 10 aparelhos são alimentados por energia que flui pelo corpo humano

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