Primo prototipo di lente a contatto intelligente abilitato Wi-Fi

Una promessa della moderna microelettronica è la possibilità di incorporare sensori in varie parti del corpo umano e di utilizzarli per monitorare qualsiasi cosa, dai livelli di glucosio nel sangue alle onde cerebrali. Potrebbero anche aiutare a curare condizioni come l'epilessia, il morbo di Parkinson e altre condizioni mediche.

Per svolgere questo lavoro, questi dispositivi devono comunicare con il mondo esterno e questa è un'attività che consuma energia. Può essere fatto con apparecchiature RFID su misura, ma è grande, ingombrante e assetato di energia. Un modo migliore sarebbe quello di collegarsi a dispositivi più portatili e onnipresenti come smartphone, orologi o tablet.

Ma c'è un problema. Sebbene Bluetooth e Wi-Fi siano forme di comunicazione relativamente a bassa potenza, sono ben oltre il budget di potenza, ad esempio, di una lente a contatto intelligente. Di conseguenza non c'è modo di connettere un dispositivo embedded tramite Bluetooth o Wi-Fi e quindi nessun modo per comunicare facilmente con loro al volo.

La situazione sembra destinata a cambiare grazie al lavoro di Joshua Smith e dei suoi amici dell'Università di Washington a Seattle. Questi ragazzi hanno sviluppato un modo intelligente per i dispositivi embedded di raccogliere segnali radio Bluetooth e usarli per trasmettere trasmissioni Wi-Fi. Il team ha persino costruito una serie di prototipi abilitati Wi-Fi per mostrare la tecnica.

A prima vista, è facile pensare che convertire i segnali Bluetooth in Wi-Fi sia impossibile. Questi sistemi funzionano a frequenze diverse e utilizzano protocolli di trasmissione completamente diversi.

Il Wi-Fi richiede una larghezza di banda di 22 MHz e utilizza la codifica a spettro diffuso mentre il Bluetooth richiede una larghezza di banda fino a 2 MHz e si basa sul gaussiano Frequency Shift Keying, in cui uno è rappresentato da uno spostamento di frequenza positivo di 250 kHz e uno zero come spostamento negativo di 250 kHz. Questi sistemi sono completamente diversi.

Ma Smith e compagni hanno escogitato un trucco intelligente che consente loro di convertire i segnali Bluetooth in Wi-Fi. Ciò si basa sul fare in modo che un trasmettitore Bluetooth trasmetta una sequenza continua di uno o di zero per produrre un tono continuo di rumore bianco.

È questo rumore che il dispositivo incorporato rileva, modifica e ritrasmette come Wi-Fi mediante un processo chiamato backscattering. Questo produce un segnale che viene spostato in frequenza su uno dei canali Wi-Fi e quindi modulato in linea con il protocollo di trasmissione Wi-Fi 802.11b.

Nei test, questo processo si è rivelato estremamente efficiente dal punto di vista energetico. In totale, la generazione di pacchetti 802.11b da 2 Mbps consuma 28 µW, affermano Smith e co.

Ovviamente, qualsiasi ingegnere elettrico ti dirà che questo processo produce anche un segnale di immagine speculare sull'altro lato della frequenza Bluetooth, che nel migliore dei casi è sprecato e nel peggiore dei casi può interferire con altri segnali.

Smith e amici hanno un altro trucco intelligente per aggirare questo problema. Ciò comporta la scelta di materiali per antenne che hanno un'impedenza complessa. Questo porta a un segnale speculare con una frequenza negativa, cosa che in pratica non può accadere. Il risultato è il primo esempio di backscattering a banda laterale singola.

Tutto ciò consente al dispositivo embedded di comunicare con il mondo esterno tramite segnali retrodiffusi.

Tuttavia, per la comunicazione bidirezionale, il dispositivo deve anche ricevere segnali. Il team lo fa trovando un modo per fare in modo che i segnali Wi-Fi 802.11g assomiglino ai segnali modulati AM standard, che il dispositivo incorporato può captare a una velocità in bit di 160 kbps. Non è veloce, ma il team afferma che potrebbe essere notevolmente migliorato nei dispositivi futuri.

Infine, questi ragazzi hanno messo insieme tutte queste tecniche per costruire una varietà di dimostratori tecnologici. Uno è un'antenna per una lente a contatto intelligente progettata per monitorare i livelli di glucosio nelle lacrime di chi lo indossa. Il prototipo consiste in un anello di filo di 1 cm incorporato in poli-dimetilsilossano (PDMS) per la biocompatibilità.

Il team lo ha testato retrodiffondendo e modificando con successo i segnali Bluetooth da un trasmettitore vicino a uno smartphone Samsung Galaxy S4 che rileva il Wi-Fi. La trama mostra che possiamo raggiungere distanze di oltre 24 pollici, dimostrando la fattibilità di una lente a contatto intelligente che comunica direttamente con le radio di fascia media, afferma il team.

Progettano anche un'antenna per un dispositivo di registrazione neurale che può essere incorporato sotto il cranio per il monitoraggio delle onde cerebrali. Per testarlo, lo hanno incorporato in una braciola di maiale e sono stati nuovamente in grado di ricevere segnali sul loro smartphone Samsung Galaxy S4.

Questo è un lavoro interessante che apre la strada a una nuova generazione di dispositivi embedded in grado di comunicare facilmente con i comuni dispositivi portatili. Costruiamo proof-of-concept per applicazioni precedentemente irrealizzabili, tra cui il primo prototipo di antenna con fattore di forma delle lenti a contatto e un'interfaccia di registrazione neurale impiantabile che comunica direttamente con dispositivi di consumo come smartphone e orologi, consentendo così la visione di dispositivi impiantati connessi a Internet, afferma Smith e co.

Con un'ulteriore ottimizzazione, il team dovrebbe essere in grado di migliorare le prestazioni. E ciò renderà possibile una nuova generazione di app che consentiranno alle persone di interagire ed elaborare i dati dai dispositivi incorporati nei loro corpi.

Rif: arxiv.org/abs/1607.04663 : Backscatter intertecnologico: verso la connettività Internet per i dispositivi impiantati

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