Pierwszy prototyp inteligentnej soczewki kontaktowej z obsługą Wi-Fi

Jedną z obietnic współczesnej mikroelektroniki jest możliwość osadzania czujników w różnych częściach ludzkiego ciała i używania ich do monitorowania wszystkiego, od poziomu glukozy we krwi po fale mózgowe. Mogą nawet pomóc w leczeniu stanów takich jak padaczka, choroba Parkinsona i inne schorzenia.

Aby wykonać tę pracę, urządzenia te muszą komunikować się ze światem zewnętrznym, a to jest energochłonny biznes. Można to zrobić za pomocą specjalnego sprzętu RFID, ale jest on duży, nieporęczny i energochłonny. Lepszym sposobem byłoby połączenie z bardziej przenośnymi i wszechobecnymi urządzeniami, takimi jak smartfony, zegarki czy tablety.

Ale jest problem. Chociaż Bluetooth i Wi-Fi są formami komunikacji o stosunkowo niskim poborze mocy, wykraczają poza budżet mocy, powiedzmy, inteligentnej soczewki kontaktowej. W związku z tym nie ma możliwości podłączenia wbudowanego urządzenia przez Bluetooth lub Wi-Fi, a więc nie ma możliwości łatwej komunikacji z nimi w locie.

Wygląda na to, że zmieni się to dzięki pracy Joshuy Smitha i kumpli z University of Washington w Seattle. Ci faceci opracowali sprytny sposób dla urządzeń wbudowanych do przechwytywania sygnałów radiowych Bluetooth i wykorzystywania ich do nadawania transmisji Wi-Fi. Zespół zbudował nawet kilka prototypów obsługujących Wi-Fi, aby pochwalić się tą techniką.

Na pierwszy rzut oka łatwo pomyśleć, że konwersja sygnałów Bluetooth na Wi-Fi jest niemożliwa. Systemy te pracują na różnych częstotliwościach i wykorzystują zupełnie inne protokoły transmisji.

Wi-Fi wymaga szerokości pasma 22 MHz i wykorzystuje kodowanie widma rozproszonego, podczas gdy Bluetooth wymaga szerokości pasma do 2 MHz i opiera się na kluczowaniu z przesunięciem częstotliwości Gaussa, w którym jedynka jest reprezentowana przez dodatnie przesunięcie częstotliwości o 250 kHz, a zero jako przesunięcie ujemne 250 kHz. Te systemy są zupełnie inne.

Ale Smith i spółka wymyślili sprytną sztuczkę, która pozwala im konwertować sygnały Bluetooth na Wi-Fi. Polega to na nadawaniu przez nadajnik Bluetooth ciągłej sekwencji jedynek lub zer w celu wytworzenia ciągłego tonu białego szumu.

To właśnie ten hałas odbiera, modyfikuje i ponownie emituje jako Wi-Fi to wbudowane urządzenie w procesie zwanym rozpraszaniem wstecznym. Daje to sygnał, który jest przesunięty w częstotliwości do jednego z kanałów Wi-Fi, a następnie modulowany zgodnie z protokołem transmisji Wi-Fi 802.11b.

W testach proces ten okazał się niezwykle energooszczędny. Łącznie generowanie pakietów 802.11b o szybkości 2 Mb/s zużywa 28 µW, powiedzmy Smith i spółka.

Oczywiście każdy inżynier elektryk powie, że ten proces wytwarza również sygnał lustrzanego odbicia po drugiej stronie częstotliwości Bluetooth, który w najlepszym przypadku jest marnowany, aw najgorszym może zakłócać inne sygnały.

Smith i kumple mają kolejną sprytną sztuczkę, aby to obejść. Wiąże się to z wyborem materiałów antenowych o złożonej impedancji. Prowadzi to do sygnału lustrzanego o częstotliwości ujemnej, co w praktyce nie może mieć miejsca. Rezultatem jest pierwszy przykład rozproszenia wstecznego pojedynczej wstęgi bocznej.

Wszystko to umożliwia wbudowanemu urządzeniu komunikowanie się ze światem zewnętrznym za pośrednictwem sygnałów rozproszonych wstecznie.

Jednak w przypadku komunikacji dwukierunkowej urządzenie musi również odbierać sygnały. Zespół robi to, znajdując sposób, aby sygnały Wi-Fi 802.11g wyglądały jak standardowe sygnały modulowane AM, które wbudowane urządzenie może odbierać z szybkością transmisji 160 kb/s. To nie jest szybkie, ale zespół twierdzi, że można to znacznie poprawić w przyszłych urządzeniach.

Wreszcie, ci faceci połączyli wszystkie te techniki, aby zbudować różnorodne demonstratory technologii. Jedna to antena do inteligentnej soczewki kontaktowej zaprojektowana do monitorowania poziomu glukozy we łzach użytkownika. Prototyp składa się z 1 cm pętli z drutu osadzonej w polidimetylosiloksanie (PDMS) w celu zapewnienia biokompatybilności.

Zespół przetestował to, skutecznie rozpraszając i modyfikując sygnały Bluetooth z pobliskiego nadajnika na smartfon Samsung Galaxy S4, który odbiera Wi-Fi. Jak twierdzi zespół, wykres pokazuje, że możemy osiągnąć zasięg przekraczający 24 cale, co dowodzi wykonalności inteligentnej soczewki kontaktowej, która komunikuje się bezpośrednio z popularnymi radiotelefonami.

Projektują również antenę do neuronowego urządzenia rejestrującego, które można umieścić pod czaszką w celu monitorowania fal mózgowych. Aby to przetestować, umieścili go w kotlecie wieprzowym i ponownie mogli odbierać sygnały na swoim smartfonie Samsung Galaxy S4.

To interesująca praca, która toruje drogę nowej generacji urządzeń wbudowanych, które mogą łatwo komunikować się z popularnymi urządzeniami przenośnymi. Opracowujemy weryfikację koncepcji dla wcześniej niewykonalnych zastosowań, w tym pierwszy prototyp anteny o współczynniku kształtu soczewek kontaktowych i wszczepialny interfejs rejestracji neuronowej, który komunikuje się bezpośrednio z popularnymi urządzeniami, takimi jak smartfony i zegarki, umożliwiając w ten sposób widzenie wszczepionych urządzeń podłączonych do Internetu. Smith i spółka

Dzięki dalszej optymalizacji zespół powinien być w stanie poprawić wydajność. A to umożliwi nową generację aplikacji, które pozwolą ludziom na interakcję i przetwarzanie danych z urządzeń wbudowanych w ich ciała.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1607.04663 : Inter-Technology Backscatter: W kierunku łączności z Internetem dla urządzeń implantowanych

ukryć