Onze draagbare toekomst, deel 2: Hoe zal nieuwe technologie werken?
Door Jerilyn Covert
Dit is het tweede deel van een tweedelige serie over de toekomst van draagbare technologie. Deel één (lees hier) onderzoekt hoe toekomstige wearables eruit zullen zien en wat ze zullen bereiken.
23 augustus 2022 - Pak je smartphone op. Ja, je hebt hem al duizend keer vastgehouden, het is als een verlengstuk van je handen. Maar laten we een experiment doen: Pak hem aan beide uiteinden vast en strek hem zo ver mogelijk uit. Draai het nu. Wikkel het om je onderarm. Cool, toch? Laat het nu terugbreken.
Wacht, wat bedoel je met je telefoon zal niet buigen en uitrekken?
Deze kleine oefening in verbeelding illustreert wat er mogelijk is op het gebied van wearables - elektronische apparaten die we dicht bij of op onze huid dragen. Vandaag zijn smartwatches en telefoons nog harde, onbuigzame blokken plastic en metaal. Morgen zal dat allemaal veranderen.
"Bij wearables zijn flexibiliteit, rekbaarheid en wasbaarheid belangrijke vereisten", zegt Veena Misra, PhD, professor elektrotechniek aan de North Carolina State University en directeur van het ASSIST Center, een federaal gefinancierd onderzoeksinstituut dat wearables ontwikkelt om de gezondheid te bevorderen.
"We zien dit soort ontwikkelingen over de hele linie," zegt Misra, "en dat kun je zien aan het aantal [onderzoeks]artikelen over wearables. Dat aantal groeit exponentieel."
We zijn geneigd wearables te zien als leuke consumentengadgets, maar een groeiende stroming zegt dat ze de gezondheidszorg drastisch zullen verbeteren - ze bieden een middel voor continue, langdurige monitoring om ongewenste voorvallen te voorspellen en ziekten op de voet te volgen, waardoor behandelingen en gezondheidsresultaten wereldwijd verbeteren.
Daartoe moeten wearables naadloos samenwerken met ons lichaam. Dat betekent dat conventioneel harde, stijve apparaten en systemen meer op de menselijke huid moeten lijken - zacht, buigbaar en rekbaar.
Hoe krijg je dat voor elkaar? Door elektronica op moleculair niveau opnieuw te ontwerpen, sensoren te miniaturiseren en ongekende energiebronnen te creëren voor wat ingenieurs een huidachtige "vormfactor" noemen.
Om een uitdrukking te gebruiken, het is geen science fiction. Het gebeurt op dit moment, en de nieuwe producten die deze vooruitgang zal creëren - mogelijk te beginnen in de gezondheidszorg en over te steken naar de consumenten wellness-markt - kunnen net zo normaal worden als die lompe, inflexibele telefoon die je niet kunt neerleggen. Dit is hoe.
Waarom is de vormfactor belangrijk?
Een wearable die zich aanpast aan je lichaam is in twee opzichten beter: Het is minder opdringerig voor de gebruiker, en het zorgt voor een betrouwbaardere meting.
"Sensoren en sensorsystemen hebben vaak last van mechanische mismatch," zegt Alper Bozkurt, PhD, een elektrotechnisch ingenieur en Misra's collega bij NC State en ASSIST. "Als je zacht weefsel hebt dat beweegt, maar een stijf sensorapparaat dat niet beweegt, is je meting misschien niet betrouwbaar."
Dat komt omdat al dat extra gebonk tussen het apparaat en uw lichaam wordt weergegeven als "ruis" - betekenisloze informatie die de meting kan vervormen en tot verkeerde conclusies kan leiden.
Dan is er nog de "menselijke factor", merkt Bozkurt op - de kwestie van de naleving.
"Een van de uitdagingen is dat we dingen in het laboratorium ontwerpen, alles testen en het aan onze artsen voorleggen, en dat zij hun wenkbrauwen optrekken en zeggen: 'Nee, mijn patiënten gaan dit niet dragen'," zegt Bozkurt. "Je kunt je geen toekomst voor wearables voorstellen zonder het nalevingsprobleem op te lossen."
Mensen willen een apparaat dat comfortabel is, niet opvalt en weinig interactie vereist, zegt Bozkurt. "We noemen het wear-and-forget." Je zou dit kunnen vergelijken met het dragen van een pleister - je merkt het af en toe, maar meestal verdwijnt het naar de achtergrond, zonder je te storen in je dagelijkse taken en zonder dat anderen het merken.
Een polshorloge lijkt misschien comfortabel genoeg, maar de toepassingen gaan verder dan wat een polshorloge mogelijk maakt, merkt Michael Daniele, PhD, een medelid van het NC State / ASSIST-team, op, die zachte nanomaterialen bestudeert om apparaten te ontwikkelen die lichaamsfuncties controleren, nabootsen of aanvullen.
Er worden draagbare apparaten ontwikkeld om patiënten te helpen en zelfs te behandelen op manieren "waarbij het comfort van de patiënt voorop staat", zegt hij.
Als voorbeeld noemt hij het gebruik van elektroden en elektronica in onderarmprotheses. "Stel je een paar metalen schroeven voor die in je ledemaat drukken en waarmee je al je gewicht ondersteunt, of stel je voor dat je je schoen vult met een reeks stenen. Dat is de toestand van wearables voor zo'n gebruiker."
Oké, dus hoe maak je elektronica zacht en rekbaar?
Eén manier is om harde dingen die gebruikt worden om gezondheid te monitoren - zoals silicium chips - zo dun te maken dat ze flexibel worden. Een van de eersten die dit soort materiaaltechnologie demonstreerde in huidachtige draagbare apparaten was John Rogers, PhD, in 2011, in een baanbrekende Science paper getiteld Epidermal Electronics.
"We waren al een aantal jaren vrij actief op dat gebied," zegt Rogers, die toen aan de Universiteit van Illinois werkte en sindsdien is verhuisd naar de Northwestern University. "Maar toen realiseerden we ons dat zelfs silicium - dat de meeste mensen beschouwen als een zeer stijf, broos rotsachtig materiaal - in vormen en op diktes kan worden gemaakt waardoor het kan worden gebogen en ... zelfs uitgerekt."
Rogers, wiens team verschillende toepassingen in ontwikkeling heeft, gebruikt een etstechniek om het oppervlak van een halfgeleiderwafer af te schaven.
"Het blijkt dat alle actie in die geïntegreerde schakelingen plaatsvindt op die zeer dicht bij het oppervlak liggende laag," zegt hij. "Al het silicium eronder dient slechts als mechanische ondersteuning."
Die kritische laag wordt dan ingebed in een elastische polymeermatrix, legt Rogers uit, waardoor ze volledig functionerende systemen kunnen ontwerpen die kunnen buigen, draaien en uitrekken.
Anderen gebruiken een andere aanpak en bouwen elektronische onderdelen vanaf nul uit materialen die van nature zacht en rekbaar zijn - polymeren. Dit is het soort werk dat chemisch ingenieur Zhenan Bao, PhD, van Stanford doet, met behulp van een reeks polymeren met geleidende eigenschappen.
"In ons werk krijgen we een fundamenteel inzicht in hoe je plastic moleculen zo kunt ontwerpen dat ze de functies en eigenschappen hebben die we willen," zegt Bao. Voor huidachtige elektronica worden de kunststoffen - op moleculair niveau - zo ontworpen dat ze geleidend, elastisch en zacht zijn.
Een van de nieuwste creaties uit Bao's lab is een polymeer dat oplicht, waardoor huidachtige visuele displays mogelijk worden. Zij stelt zich een huidpleister voor met het display erop, of nog verder, een telehealth-afspraak waarbij de arts de textuur van de huid van de patiënt kan zien en voelen via een driedimensionaal, levensecht display. Voorbeeld: Een onderzoek om te controleren op ernstige waterretentie bij patiënten met hartfalen is om op de huid te drukken om te zien of deze terugkaatst, zegt Bao. De patiënt zou een elektronische sticker om zijn been wikkelen en erop drukken om een scherm te genereren voor de arts ter plaatse. "De arts zou op de display de textuur van de huid kunnen voelen die de patiënt zou voelen," zegt ze - vanaf een externe locatie.
"Natuurlijk is dit nog ver weg," merkt Bao op. "Maar dat is wat ik denk dat mogelijk zou zijn dat mogelijk kan worden gemaakt door huidachtige displays en sensoren."
Meer wilde vooruitgang: Vloeibare metalen, plasmabinding, chemische sensoren
Andere ontwikkelingen gaan door. Vooruitgang op het gebied van vloeibare metalen maakt rekbare geleidende draden mogelijk. Op textiel gebaseerde, vochtbestendige antennes kunnen gegevens verzenden terwijl ze dicht op de huid worden gedragen. Methoden zoals plasmabinding met waterdamp hechten dunne metalen aan zachte polymeren zonder flexibiliteit te verliezen of hoge temperatuur en druk te gebruiken die superdunne elektronica kunnen beschadigen.
Ook de sensoren worden beter - dat is het deel dat in wisselwerking staat met wat je probeert te meten. De meeste commerciële draagbare sensoren zijn mechanisch (gebruikt om fysieke activiteit te volgen) of optisch (hartslag, pulsoximetrie). Maar er worden ook chemische sensoren ontwikkeld om interne markers in het lichaam te meten. Deze zijn cruciaal voor het onthullen van het volledige beeld van uw gezondheid, zegt Joseph Wang, doctor in de wetenschappen en hoogleraar nanotechniek aan de Universiteit van Californië in San Diego, die onderzoek heeft gepubliceerd over biosensoren en draagbare apparaten.
Een stijging van lactaat en een daling van de bloeddruk kunnen bijvoorbeeld betekenen dat je een septische shock hebt. Het meten van het kaliumgehalte kan informatie geven over veranderingen in de hartslag. En het combineren van bloeddruk- en glucosemetingen kan meer onthullen over metabolische gezondheid dan een van beide alleen. "Als je ze combineert, krijg je beter bewijs", zegt Wang.
Dit is waar de nieuwe technologie echt nerdy kan worden. Chemische sensoren worden gemaakt van de meest exotische nanomaterialen, zoals grafeen, koolstofnanobuisjes en gouden nanodeeltjes, zegt Daniele. Sommige (vooral glucosesensoren) maken gebruik van enzymen die zich binden aan doelmoleculen. Andere gebruiken aptameren, korte strengen DNA of RNA.
Chemische sensoren werken meestal met lichaamsvloeistof zoals zweet, speeksel, tranen, of - zoals bij continue glucosemonitors - interstitiële vloeistof (de vloeistof tussen de cellen in uw lichaam).
"De meeste dingen die je in bloed wilt meten, kun je ook in interstitiële vloeistof doen als je over de sensortechnologie beschikt", zegt Jason Heikenfeld, PhD, hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Cincinnati. Stel je voor dat je een volledig bloedonderzoek kunt doen door gewoon een huidpleister op te plakken, zonder dat er een bloedmonster nodig is.
Heikenfeld heeft ook onderzoek gedaan naar zweet, dat nuttig lijkt voor het meten van hormoonspiegels (zoals die welke stress, seks en slaap regelen) en het monitoren van voorgeschreven medicijnen - dat wil zeggen, het monitoren van de niveaus van een medicijn in het lichaam en het bijhouden hoe snel het wordt gemetaboliseerd, zegt hij.
Zweetsensoren kunnen ook een plaats krijgen in thuistests, zegt Heikenfeld. "Als er een publieksprijs voor biologische vloeistoffen was, zou zweet winnen", zegt hij. "We willen geen bloed, geen kwijl in een beker, geen geknoei met een urinestick. Tranen, vergeet het maar. De test zou een simpele patch zijn die je op je arm plakt; je verzamelt wat vloeistof, stopt het in een envelop en stuurt het naar een lab."
Draagbare energiebronnen: Verder dan AA-batterijen
Als je een rekbaar, flexibel elektronisch apparaat wilt maken, heb je een rekbare, flexibele en zelfs wasbare manier nodig om het van stroom te voorzien. Veel van de huidige wearables, zoals smartwatches, worden aangedreven door zeer kleine maar toch stijve batterijen, zegt Bao. Vandaar de omvangrijke vorm.
"Er is zeker een grote vraag naar echt flexibele batterijen met hoge energiedichtheid," zegt ze.
Deze vraag heeft onderzoekers van over de hele wereld ertoe aangezet om batterijen te ontwikkelen die kunnen uitrekken en buigen. Om maar een paar recente voorbeelden te noemen: Canadese onderzoekers ontwikkelden een flexibele, wasbare batterij die kan uitrekken tot het dubbele van zijn oorspronkelijke lengte en nog steeds functioneert. In Singapore ontwikkelden wetenschappers een papierdunne, biologisch afbreekbare zinkbatterij die je kunt buigen, draaien en zelfs met een schaar kunt doorknippen - zoals elk stuk papier - en nog steeds werkt. Anderen ontwikkelen batterijen tot lange stroken die in slimme kleding kunnen worden gebruikt.
Een andere optie is draadloze energie, zegt Bao. De batterij hoeft niet in het apparaat te zitten - hij kan in je kleren of in je zak zitten en toch de sensoren van stroom voorzien. Bao's lab in Stanford heeft een stickerachtige wearable ontwikkeld, BodyNet genaamd, die kan worden opgeladen met behulp van radiofrequentie-identificatie, dezelfde technologie die wordt gebruikt om sleutelloze toegang tot afgesloten kamers te regelen.
Anderen - zoals Misra en haar collega's bij ASSIST - onderzoeken alternatieven voor batterijen, zoals energy harvesting, of het omzetten van lichaamswarmte, zonne-energie of beweging in energie.
Misra werkt aan een energiegenerator die het temperatuurverschil tussen je huid en de kamer kan omzetten in energie om een apparaat aan te drijven. "Je hebt een huidtemperatuur van bijvoorbeeld 98,6 graden," zegt ze. "De temperatuur in je kamer is waarschijnlijk ongeveer 70 graden Fahrenheit. En dat temperatuurverschil van 28 graden kan vallen over een apparaat dat een thermo-elektrische generator heet, die dat energieverschil kan omzetten in stroom."
Stel je voor: Geen zorgen meer dat de batterij doodgaat, nat wordt of opgeladen moet worden. "Je lichaam is de batterij," zegt Misra.
Wat is de volgende stap?
Willen wearables echt hun volle potentieel bereiken, dan moeten alle onderdelen energiezuiniger worden en samenkomen in een flexibele, rekbare verpakking, aldus Misra. Ze moeten ook zo worden ontworpen dat miljoenen, zo niet miljarden mensen ze willen dragen.
Net zo belangrijk: Apparaten voor de medische wereld moeten gegevens van topkwaliteit leveren. Als de verzamelde gegevens geen gouden standaard zijn, wat heb je er dan aan? En al die gegevens moeten worden omgezet in nuttige informatie. Dat is waar gegevensanalyse, machinaal leren en kunstmatige intelligentie om de hoek komen kijken. "Dit zijn geen onoplosbare problemen," zegt Misra, "maar het zijn spannende problemen waar veel van de gemeenschap aan werkt."
Kortom: Onze draagbare toekomst is goed op weg.
