Columbia Engineers entwickelt das kleinste Single-Chip-System mit einer voll funktionsfähigen elektronischen Schaltung.
Dieser implantierbare Chip, der nur unter einem Mikroskop zu sehen ist, zeigt eine Zukunft, die durch Chips gekennzeichnet ist, die mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können, um den medizinischen Zustand zu überwachen.
Implantierbare medizinische Geräte, innere Revolution
Sie werden bereits in großem Umfang zur Überwachung und Kartierung biologischer Signale eingesetzt. Oder um physiologische Funktionen zu unterstützen und zu verbessern. Auch um Krankheiten zu heilen.
Implantierbare medizinische Geräte verändern das Gesundheitswesen und verbessern die Lebensqualität von Millionen von Menschen.
Die Forscher konzentrieren sich jedoch auf Geräte, die Daten in vivo und in situ in Echtzeit übertragen können. Temperatur, Blutdruck, Glukose und Atmung 24 Stunden am Tag unter Kontrolle zu haben, wie in einem Dashboard, würde sowohl diagnostische als auch therapeutische Verfahren revolutionieren.
Ein Fußabdruck, den man loswerden muss
Bisher ist herkömmliche implantierte Elektronik sehr volumenineffizient und erfordert mehr Chips, Gehäuse, Kabel und externe Wandler. Am wichtigsten ist, dass Batterien häufig zur Energiespeicherung benötigt werden.
Ein ständiger Trend in der Elektronik war die engere Integration elektronischer Komponenten, wodurch oft mehr und mehr Funktionen auf die integrierte Schaltung selbst verlagert wurden.
Forscher von Columbia Engineering haben das ihrer Meinung nach kleinste Single-Chip-System der Welt gebaut. Es nimmt ein Gesamtvolumen von weniger als 0,1 mm3 ein.
Ein Chip so klein wie eine Hausstaubmilbe und nur unter dem Mikroskop sichtbar.
Um dies zu erreichen, verwendete das Team Ultraschall, um das Gerät drahtlos mit Strom zu versorgen und mit ihm zu kommunizieren.
Die Studie wurde online veröffentlicht in den wissenschaftlichen Fortschritten.
„Wir wollten sehen, wie weit wir die Grenzen verschieben können, wie klein wir einen funktionierenden Chip machen können“, sagt der Studioleiter. Ken Shepard, Professor für Elektrotechnik und Biomedizintechnik.
Eine neue Idee von Chip als System
Sonst wird nichts benötigt: Der Chip allein ist ein voll funktionsfähiges elektronisches System.
Es könnte ein revolutionärer Ansatz zur Entwicklung drahtloser miniaturisierter implantierbarer medizinischer Geräte sein, die verschiedene Dinge wahrnehmen können, die in klinischen Anwendungen und möglicherweise sogar für den menschlichen Gebrauch eingesetzt werden können.
Das Projekt wurde von Doktorand Chen Shi durchgeführt, der der erste Autor der Studie ist.
Shis Design ist einzigartig in seiner volumetrischen Effizienz. Herkömmliche HF-Kommunikationsverbindungen sind für ein so kleines Gerät nicht möglich, da die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle für die Größe des Geräts zu groß ist.
Da die Wellenlängen von Ultraschall bei einer bestimmten Frequenz viel kleiner sind (die Schallgeschwindigkeit ist viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit), verwendete das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos mit ihm zu kommunizieren.
Das Team fabrizierte also direkt auf dem Chip die „Antenne“ für die Kommunikation und die Stromversorgung des Ultraschalls.
"Unsichtbarer" Chip zum Injizieren
Der Chip, implantierbar/injizierbar wie er ist, wurde bei der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company hergestellt.
Ultraschall gewinnt weiterhin an klinischer Bedeutung, da neue Werkzeuge und Techniken verfügbar werden. Diese Arbeit setzt diesen Trend fort.
Das Ziel des Teams ist es, Chips zu entwickeln, die mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können und dann per Ultraschall nach außen kommunizieren und Informationen über etwas liefern, das sie lokal messen.
