Eerste prototype voor slimme contactlenzen met wifi

Een belofte van moderne micro-elektronica is de mogelijkheid om sensoren in verschillende delen van het menselijk lichaam in te bouwen en ze te gebruiken om alles te controleren, van bloedglucosewaarden tot hersengolven. Ze kunnen zelfs helpen bij de behandeling van aandoeningen zoals epilepsie, de ziekte van Parkinson en andere medische aandoeningen.

Om dit werk uit te voeren, moeten deze apparaten communiceren met de buitenwereld en dat is een energieverslindende aangelegenheid. Het kan worden gedaan met op maat gemaakte RFID-apparatuur, maar dit is groot, onpraktisch en energieverslindend. Een betere manier zou zijn om te koppelen met meer draagbare en alomtegenwoordige apparaten zoals smartphones, horloges of tablets.

Maar er is een probleem. Hoewel Bluetooth en Wi-Fi relatief energiezuinige vormen van communicatie zijn, liggen ze ver boven het stroombudget van bijvoorbeeld een slimme contactlens. Daarom is er geen manier om een ​​embedded apparaat via Bluetooth of Wi-Fi te verbinden en dus ook niet om er gemakkelijk mee te communiceren.

Dat lijkt te veranderen dankzij het werk van Joshua Smith en zijn vrienden aan de Universiteit van Washington in Seattle. Deze jongens hebben een slimme manier ontwikkeld waarmee embedded apparaten Bluetooth-radiosignalen kunnen verzamelen en gebruiken om wifi-uitzendingen uit te zenden. Het team heeft zelfs een aantal prototypes met wifi gebouwd om de techniek te demonstreren.

Op het eerste gezicht is het gemakkelijk om te denken dat het omzetten van Bluetooth-signalen naar wifi onmogelijk is. Deze systemen werken op verschillende frequenties en gebruiken totaal verschillende transmissieprotocollen.

Wi-Fi vereist een bandbreedte van 22 MHz en gebruikt gespreide spectrumcodering, terwijl Bluetooth een bandbreedte tot 2 MHz vereist en afhankelijk is van Gaussian Frequency Shift Keying, waarbij een één wordt weergegeven door een positieve frequentieverschuiving van 250 kHz en een nul als een negatieve verschuiving van 250 kHz. Deze systemen zijn totaal verschillend.

Maar Smith en co hebben een slimme truc bedacht waarmee ze Bluetooth-signalen kunnen omzetten naar wifi. Dit is afhankelijk van het maken van een Bluetooth-zender die een continue reeks van enen of nullen uitzendt om een ​​continue toon van witte ruis te produceren.

Het is dit geluid dat dat ingebedde apparaat oppikt, wijzigt en opnieuw uitzendt als wifi door een proces dat backscattering wordt genoemd. Dit produceert een signaal dat in frequentie wordt verschoven naar een van de wifi-kanalen en vervolgens wordt gemoduleerd in overeenstemming met het 802.11b wifi-transmissieprotocol.

In tests is dit proces zeer energiezuinig gebleken. In totaal verbruikt het genereren van 2 Mbps 802.11b-pakketten 28 µW, zeggen Smith en co.

Natuurlijk zal elke elektrotechnicus je vertellen dat dit proces ook een spiegelbeeldsignaal produceert aan de andere kant van de Bluetooth-frequentie, dat op zijn best verspild is en in het slechtste geval andere signalen kan verstoren.

Smith en vrienden hebben nog een slimme truc om dit te omzeilen. Hierbij wordt gekozen voor antennematerialen met een complexe impedantie. Dit leidt tot een spiegelsignaal met een negatieve frequentie, wat in de praktijk niet kan gebeuren. Het resultaat is het eerste voorbeeld van enkele zijband terugverstrooiing.

Dit alles stelt het embedded apparaat in staat om via terugverstrooide signalen met de buitenwereld te communiceren.

Voor bidirectionele communicatie moet het apparaat echter ook signalen ontvangen. Het team doet dit door een manier te vinden om 802.11g wifi-signalen eruit te laten zien als standaard AM-gemoduleerde signalen, die het embedded apparaat kan oppikken met een bitsnelheid van 160 kbps. Dat is niet snel, maar het team zegt dat dit op toekomstige apparaten aanzienlijk kan worden verbeterd.

Ten slotte hebben deze jongens al deze technieken samengevoegd om een ​​verscheidenheid aan technologiedemonstraties te bouwen. Een daarvan is een antenne voor een slimme contactlens die is ontworpen om de glucosespiegels in de tranen van de drager te controleren. Het prototype bestaat uit een draadlus van 1 cm ingebed in poly-dimethylsiloxaan (PDMS) voor biocompatibiliteit.

Het team heeft dit getest door Bluetooth-signalen van een nabijgelegen zender met succes terug te verstrooien en aan te passen naar een Samsung Galaxy S4-smartphone die wifi oppikt. De plot laat zien dat we een bereik van meer dan 24 inch kunnen bereiken, wat de haalbaarheid aantoont van een slimme contactlens die rechtstreeks communiceert met standaardradio's, aldus het team.

Ze ontwerpen ook een antenne voor een neuraal opnameapparaat dat onder de schedel kan worden ingebed om hersengolven te monitoren. Om dit te testen, verankerden ze het in een karbonade en konden ze opnieuw signalen ontvangen op hun Samsung Galaxy S4-smartphone.

Dat is interessant werk dat de weg vrijmaakt voor een nieuwe generatie embedded apparaten die gemakkelijk kunnen communiceren met gewone draagbare apparaten. We bouwen proof-of-concepts voor voorheen onhaalbare toepassingen, waaronder het eerste prototype van een antenne met een vormfactor voor contactlenzen en een implanteerbare neurale opname-interface die rechtstreeks communiceert met standaardapparaten zoals smartphones en horloges, waardoor de visie van op internet aangesloten geïmplanteerde apparaten mogelijk wordt. Smit en co.

Met verdere optimalisatie moet het team de prestaties kunnen verbeteren. En dat maakt een nieuwe generatie apps mogelijk waarmee mensen kunnen communiceren met en gegevens kunnen verwerken van apparaten die in hun lichaam zijn ingebed.

Referentie: arxiv.org/abs/1607.04663 : Inter-Technology Backscatter: Op weg naar internetconnectiviteit voor geïmplanteerde apparaten

zich verstoppen