Adaptieve micro-elektronica verandert onafhankelijk en detecteert de omgeving voor de eerste keer

Flexibele en adaptieve micro-elektronica wordt beschouwd als een drijvende kracht achter innovatie voor nieuwe en effectievere biomedische toepassingen. Deze omvatten bijvoorbeeld de behandeling van beschadigde zenuwbundels, chronische pijn of de controle van kunstmatige ledematen. Om dit te laten werken, is nauw contact tussen elektronica en neuraal weefsel essentieel voor een effectieve elektrische en mechanische koppeling. Bovendien ontstaan ​​mogelijke toepassingen bij de productie van kleine en flexibele chirurgische instrumenten.

Een internationaal team onder leiding van Prof.Dr.Oliver G.Schmidt, hoofd van het Instituut voor Integratieve Nanowetenschappen aan het Leibniz Instituut voor Solid State and Materials Research (IFW) Dresden en houder van het hoogleraarschap Materialen voor Nano-elektronica aan de Chemnitz University of Technology en initiatiefnemer van het Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN), evenals Boris Rivkin, een Ph.D. student in de groep van prof. Schmidt, heeft nu voor het eerst aangetoond dat dergelijke adaptieve micro-elektronica in staat is om zichzelf op een gecontroleerde manier te positioneren, biologisch weefsel te manipuleren en op hun omgeving te reageren door sensorsignalen te analyseren. De resultaten, met Rivkin als eerste auteur, zijn in het tijdschrift verschenen Geavanceerde intelligente systemen​ Verschillende eigenschappen voor dynamische processen voor het eerst gecombineerd in adaptieve micro-elektronica

Tot nu toe was het voor micro-elektronische structuren niet mogelijk om zowel hun omgeving aan te voelen als zich aan te passen aan hun omgeving. Hoewel er structuren zijn met een spanningssensor die hun eigen vorm bewaken, micro-elektronica met magnetische sensoren die zich oriënteren in de ruimte, of apparaten waarvan de beweging kan worden gecontroleerd door elektroactieve polymeerstructuren, is een combinatie van deze eigenschappen voor toepassing in een dynamisch veranderend organisme aan de micrometerschaal, dat wil zeggen ruim onder een millimeter, is tot dusver niet gerapporteerd. Adaptieve en intelligente micro-elektronica

De kern van deze toepassingen is een polymeerfilm, slechts 0,5 mm breed en 0,35 mm lang, die fungeert als drager voor de micro-elektronische componenten. Ter vergelijking: een stuk van 1 cent heeft een diameter van ongeveer 16 mm. In hun publicatie presenteert het team van de Chemnitz University of Technology en het Leibniz IFW in Dresden nu adaptieve en intelligente micro-elektronica die microscopisch kleine kunstmatige spieren gebruikt om zich te hervormen en zich aan te passen aan dynamische omgevingen dankzij de feedback van geschikte sensoren.

De sensorsignalen worden via elektrische verbindingen naar een microcontroller geleid, waar ze worden geëvalueerd en gebruikt om besturingssignalen voor de kunstmatige spieren te genereren. Hierdoor kunnen deze miniatuurgereedschappen zich aanpassen aan complexe en onvoorspelbare anatomische vormen. Zenuwbundels hebben bijvoorbeeld altijd verschillende afmetingen. Adaptieve micro-elektronica kan deze zenuwbundels voorzichtig omsluiten om een ​​geschikte bioneurale interface tot stand te brengen.

Essentieel hiervoor is de integratie van vorm- of positiesensoren in combinatie met microactuatoren. Adaptieve micro-elektronica wordt daarom vervaardigd in een zogenaamd ‘monolithisch waferschaalproces’. ‘Wafers’ zijn platte substraten van silicium of glas waarop de schakelingen worden vervaardigd. Door de monolithische productie kunnen veel componenten tegelijkertijd parallel op één substraat worden vervaardigd. Dit maakt een snelle en tegelijkertijd kostenbesparende productie mogelijk. Kunstmatige spieren wekken beweging op – gebruik in een organische omgeving mogelijk

De beweging en hervorming van adaptieve micro-elektronica wordt bereikt door middel van kunstmatige spieren, de zogenaamde ‘actuatoren’. Deze genereren beweging door ionen uit te stoten of te absorberen en kunnen zo de polymeerfilm hervormen.

Dit proces is gebaseerd op het gebruik van het polymeer polypyrrool (PPy). Het voordeel van deze methode is dat het manipuleren van de vorm gericht kan worden uitgevoerd en al met een zeer lage elektrische voorspanning (minder dan één volt). Dat kunstspieren ook veilig zijn voor gebruik in organische omgevingen is in het verleden al door andere groepen aangetoond. Dit omvatte het testen van de prestaties van de micromachines in verschillende omgevingen die relevant zijn voor medische toepassingen, waaronder hersenvocht, bloed, plasma en urine.

In de toekomst gaan we voor nog complexere micro-elektronische robots

Het team uit Dresden en Chemnitz verwacht dat adaptieve en intelligente micro-elektronica op middellange termijn zal worden ontwikkeld tot complexe robotachtige microsystemen. Boris Rivkin zegt: “De cruciale volgende stap is de overgang van de voorheen platte architectuur naar driedimensionale micro-robots. Eerder werk heeft aangetoond hoe platte polymeerfilms kunnen worden omgevormd tot driedimensionale structuren door zelfgeorganiseerd vouwen of rollen. voeg adaptieve elektronica toe aan dergelijke materialen om systemen te ontwikkelen zoals robotachtige microkatheters, kleine robotarmen en kneedbare neurale implantaten die semi-autonoom werken volgens een digitale instructie. “

Dr. Daniil Karnaushenko, groepsleider in het team van Prof. Oliver Schmidt, voegt eraan toe: “Voor dergelijke complexe microrobots is een groot aantal individuele actuatoren en sensoren nodig. Het is een uitdaging om elektronische componenten met een dergelijke dichtheid effectief te huisvesten en te gebruiken, omdat er meer elektrische verbindingen nodig zijn. nodig is dan er ruimte beschikbaar is. Dit zal worden opgelost door complexe elektronische schakelingen die in de toekomst zullen worden geïntegreerd in adaptieve micro-elektronica om de juiste instructies door te geven aan de juiste componenten. “

Dit werk draagt ​​ook bij aan het opkomende gebied van door robots ondersteunde chirurgie, die minder invasieve maar nauwkeurigere procedures mogelijk zou kunnen maken. Slimme chirurgische instrumenten die betrouwbare feedback over hun vorm en positie genereren, kunnen onmisbaar worden bij de behandeling van kwetsbaar weefsel.