Drahtloses Kommunikationsnetz 20.03.2024, 08:53 Uhr

Salzkorngroßer Chip ahmt Gehirn nach und soll Gesundheit überwachen

Forschende haben Chips von der Größe eines Salzkorns entwickelt, die drahtlos ähnlich wie ein Gehirn kommunizieren können. Sie haben das Potenzial, das Gesundheitswesen zu revolutionieren, indem sie eine ständige Überwachung wichtiger Gesundheitsdaten ermöglichen.

salzkorngroßer Chip

Forschende haben salzkorngroße Chips entwickelt, die implantiert oder getragen werden können.

Foto: Nick Dentamaro/Brown University

Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter der Leitung von Ingenieuren der US-amerikanischen Brown University hat elektronische Chips von der Größe eines Salzkorns vorgestellt. Der neuartige Ansatz trägt laut Forschungsteam zur Weiterentwicklung der drahtlosen Sensortechnologie bei und ebnet den Weg dafür, dass eines Tages große Mengen unauffälliger Sensoren in implantierbaren und tragbaren biomedizinischen Mikrogeräten eingesetzt werden können.

Neuartiger Ansatz für ein drahtloses Kommunikationsnetz

In einem Artikel der Zeitschrift Nature Electronics stellt das Forschungsteam den innovativen Ansatz für ein drahtloses Kommunikationsnetz vor. Das Netz kann Daten von Tausenden mikroelektronischer Chips, von denen jeder kaum größer als ein Salzkorn ist, effizient senden, empfangen und entschlüsseln.

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Die Studie hebt hervor, dass tragbare Biosensoren, die kontinuierlich und in Echtzeit biochemische Marker in Körperflüssigkeiten wie Schweiß, Tränen und Speichel durch nichtinvasive Messungen erfassen können, von besonderem Interesse sind. Kurzum: Die Technologie ermöglicht die genaue und zuverlässige Erfassung physiologischer Informationen in Echtzeit, was erhebliche Auswirkungen auf das tägliche Leben haben könnte.

Die Sensoren liefern Gesundheitsdaten in Echtzeit

Das Sensornetzwerk ist so konzipiert, dass die Chips in den menschlichen Körper implantiert oder in tragbare Technologien integriert werden können. Die winzigen, weniger als einen Millimeter großen Siliziumsensoren ahmen die Kommunikation der Neuronen im Gehirn nach, die sich über elektrische Impulse austauschen. Sobald die Sensoren bestimmte Ereignisse als solche Impulse identifizieren, übertragen sie die gesammelten Daten drahtlos und in Echtzeit über Radiowellen. Dieses Verfahren ist nicht nur energiesparend, sondern auch effizient im Hinblick auf die benötigte Datenübertragungskapazität.

„Unser Gehirn arbeitet auf Sparflamme“, sagt Jihun Lee, Postdoktorand an der Brown University und Hauptautor der Studie. Laut Forschungsteam feuern die Neuronen nicht die ganze Zeit, sie komprimieren Daten und feuern nur sporadisch, was sie sehr effizient macht. Lee weiter: „Diese Struktur ahmen wir hier in unserem drahtlosen Telekommunikationsansatz nach. Die Sensoren würden nicht ständig Daten senden – sie würden nur bei Bedarf relevante Daten in Form von kurzen Stromstößen senden, und sie könnten dies unabhängig von anderen Sensoren und ohne Koordination mit einem zentralen Empfänger tun. Auf diese Weise könnten wir eine Menge Energie sparen und vermeiden, dass unser zentraler Empfängerknoten mit weniger aussagekräftigen Daten überschwemmt wird.“

Warum eignen sie sich für den Einsatz in verschiedenen Situationen?

Sensoren können sehr energieeffizient arbeiten, indem sie drahtlos mit Energie versorgt werden. Externe Transceiver übertragen die benötigte Energie, solange sich die Sensoren in Reichweite befinden. Diese drahtlose Energieversorgung ermöglicht es den Sensoren, ohne direkte Verbindung zu einer Stromquelle oder Batterie zu arbeiten, was sie besonders praktisch und flexibel für den Einsatz in unterschiedlichsten Situationen macht.

Darüber hinaus ermöglicht das System durch die Verwendung eines Hochfrequenzübertragungsschemas eine einfache Skalierbarkeit und löst ein häufiges Problem in der Sensorkommunikation: die Notwendigkeit einer perfekten Synchronisation aller Komponenten für einen störungsfreien Betrieb.

Aufbau auf frühere Arbeiten

Das Team entwarf und simulierte die komplexe Elektronik am Computer und entwickelte die Sensoren in mehreren Durchgängen. Die Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten aus Arto Nurmikkos Labor an der Brown University auf, in denen eine neue Art von neuronalem Schnittstellensystem vorgestellt wurde, das ein koordiniertes Netzwerk winziger drahtloser Sensoren zur Aufzeichnung und Stimulierung der Gehirnaktivität nutzt.

Als nächste Schritte planen die Forschenden, das System hinsichtlich seines Stromverbrauchs zu optimieren und seine Anwendungsmöglichkeiten über die Neurotechnologie hinaus zu erweitern. „Die aktuelle Studie liefert die methodische Grundlage für weitere Fortschritte“, sagt Lee.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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