Första Wi-Fi-aktiverade smarta kontaktlinsprototypen

Ett löfte med modern mikroelektronik är möjligheten att bädda in sensorer i olika delar av människokroppen och använda dem för att övervaka allt från blodsockernivåer till hjärnvågor. De kan till och med hjälpa till att behandla tillstånd som epilepsi, Parkinsons sjukdom och andra medicinska tillstånd.

För att utföra detta arbete behöver dessa enheter kommunicera med omvärlden, och det är en strömskrävande verksamhet. Det kan göras med skräddarsydd RFID-utrustning, men det här är stort, ohanterligt och kraftkrävande. Ett bättre sätt skulle vara att länka till mer bärbara och överallt förekommande enheter som smartphones, klockor eller surfplattor.

Men det är ett problem. Även om Bluetooth och Wi-Fi är relativt lågenergiformer av kommunikation, ligger de långt över energibudgeten för, säg, en smart kontaktlins. Följaktligen finns det inget sätt att ansluta en inbäddad enhet via Bluetooth eller Wi-Fi och så inget sätt att kommunicera med dem enkelt i farten.

Det ser ut att förändras tack vare Joshua Smiths och sina vänners arbete vid University of Washington i Seattle. De här killarna har utvecklat ett smart sätt för inbäddade enheter att skörda Bluetooth-radiosignaler och använda dem för att sända Wi-Fi-överföringar. Teamet har till och med byggt ett antal Wi-Fi-aktiverade prototyper för att visa upp tekniken.

Vid första anblicken är det lätt att tro att det är omöjligt att konvertera Bluetooth-signaler till Wi-Fi. Dessa system fungerar vid olika frekvenser och använder helt olika överföringsprotokoll.

Wi-Fi kräver en 22 MHz bandbredd och använder spridningsspektrumkodning medan Bluetooth kräver upp till 2 MHz bandbredd och förlitar sig på Gaussian Frequency Shift Keying, där en etta representeras av en positiv frekvensförskjutning på 250 kHz och en nolla som ett negativt skift på 250 kHz. Dessa system är helt olika.

Men Smith och co har kommit på ett smart knep som gör att de kan konvertera Bluetooth-signaler till Wi-Fi. Detta förlitar sig på att få en Bluetooth-sändare att sända en kontinuerlig sekvens av antingen ettor eller nollor för att producera en kontinuerlig ton av vitt brus.

Det är detta brus som den inbäddade enheten tar upp, modifierar och återsänder som Wi-Fi genom en process som kallas backscattering. Detta producerar en signal som skiftas i frekvens till en av Wi-Fi-kanalerna och sedan moduleras i linje med 802.11b Wi-Fi-överföringsprotokollet.

I tester har denna process visat sig vara extremt energieffektiv. Totalt förbrukar generering av 2 Mbps 802.11b-paket 28 µW, säger Smith och co.

Naturligtvis kommer vilken elektriker som helst att berätta att denna process även producerar en spegelbildssignal på andra sidan Bluetooth-frekvensen, som i bästa fall är bortkastad och i värsta fall kan störa andra signaler.

Smith och kompisar har ett annat smart knep för att komma runt detta. Detta innebär att man väljer antennmaterial som har en komplex impedans. Detta leder till en spegelsignal med negativ frekvens, vilket inte kan hända i praktiken. Resultatet är det första exemplet på bakåtspridning av ett sidband.

Allt detta gör att den inbäddade enheten kan kommunicera med omvärlden via tillbakaspridda signaler.

Men för dubbelriktad kommunikation måste enheten också ta emot signaler. Teamet gör detta genom att hitta ett sätt att få 802.11g Wi-Fi-signaler att se ut som vanliga AM-modulerade signaler, som den inbäddade enheten kan ta upp med en bithastighet på 160 kbps. Det är inte snabbt men teamet säger att detta kan förbättras avsevärt i framtida enheter.

Slutligen har de här killarna satt ihop alla dessa tekniker för att bygga en mängd olika teknikdemonstratorer. Den ena är en antenn för en smart kontaktlins designad för att övervaka glukosnivåerna i bärarens tårar. Prototypen består av en 1 cm trådslinga inbäddad i poly-dimetylsiloxan (PDMS) för biokompatibilitet.

Teamet testade detta genom att framgångsrikt sprida tillbaka och modifiera Bluetooth-signaler från en närliggande sändare till en Samsung Galaxy S4-smarttelefon som tar upp Wi-Fi. Handlingen visar att vi kan uppnå räckvidder på mer än 24 tum, vilket visar genomförbarheten av en smart kontaktlins som kommunicerar direkt med råvaruradio, säger teamet.

De designar också en antenn för en neural inspelningsenhet som kan bäddas in under skallen för att övervaka hjärnvågor. För att testa detta bäddade de in det i en fläskkotlett och kunde återigen ta emot signaler på sin Samsung Galaxy S4-smarttelefon.

Det är intressant arbete som banar väg för en ny generation av inbäddade enheter som enkelt kan kommunicera med vanliga bärbara enheter. Vi bygger proof-of-concepts för tidigare omöjliga applikationer, inklusive den första kontaktlinsformfaktorantennprototypen och ett implanterbart neuralt inspelningsgränssnitt som kommunicerar direkt med råvaruenheter som smartphones och klockor, vilket möjliggör visionen av internetanslutna implanterade enheter, säger Smith och co.

Med ytterligare optimering bör teamet kunna förbättra prestandan. Och det kommer att möjliggöra en ny generation av appar som tillåter människor att interagera med och bearbeta data från enheter inbäddade i deras kroppar.

Ref: arxiv.org/abs/1607.04663 : Inter-Technology Backscatter: Mot internetanslutning för implanterade enheter

Dölj