Для чего используются съедобные растения
В серии романов Айзека Азимова “Фантастическое путешествие” персонажи Айзека Азимова уменьшаются до размеров атомов и проникают в тело ученого, чтобы уничтожить тромб в его мозгу. Эта научно-фантастическая сказка вскоре может стать повсеместной реальностью, только вместо крошечных человечков за доставку лекарств и мониторинг состояния пациента будут отвечать электронные устройства.
Профессор Кристофер Беттингер и его коллеги из Университета Карнеги-Меллон в Питтсбурге (штат Пенсильвания) одними из первых разработали медицинскую биоразлагаемую электронику и являются самыми продвинутыми в этом вопросе. Идея их разработки заключается в том, что пациент проглатывает устройство в форме таблетки, состоящее из гибких полимерных электродов и электрохимической ячейки с ионами натрия, которая служит источником энергии. Все это помещается в съедобную капсулу и проглатывается. Устройство программируется для размещения в пищеварительном тракте или тонком кишечнике. Затем батарея активируется, и таблетка начинает выполнять свою работу: измерять биомаркеры, контролировать работу желудка или давать электричество для стимуляции мышц. Когда батарея разряжается, устройство проходит через остальную часть пищеварительного тракта и покидает организм.
Задачи, которые будет выполнять съедобная электроника, делятся на биомедицинские и пищевые. Первые включают в себя следующие функции:
мониторинг здоровья пищеварительного тракта;
обнаружение кровотечения;
терапия и доставка лекарств;
обнаружение доброкачественных опухолей.
К пищевым относятся:
контроль температуры тела;
определение pH и температуры желудочно-кишечной жидкости;
проверка концентрации глюкозы в желудочно-кишечной жидкости;
контроль кислотности в желудке и кишечнике;
ферментный и микробный анализ;
картирование потребления продуктов питания и напитков.
В настоящее время существуют миниатюрные устройства, которые можно проглотить, но они не растворяются в организме, а выводятся естественным путем. Полностью съедобная электроника в настоящее время находится на стадии эксперимента.
Пилюля-эндоскоп и роботы для доставки лекарств
Ученые находят множество применений для глотаемых и съедобных устройств. Наиболее очевидным является капсульная эндоскопия. Это процесс, при котором камера, встроенная в капсулу, делает снимки пищеварительного тракта по мере его прохождения через организм. В результате исчезает необходимость вводить эндоскопическую трубку. В будущем врачи смогут следить за состоянием пациента “вживую”, без необходимости посещения больницы. Это разработка израильской компании Given Imaging. PillCam – это таблетка с камерой, которая остается в кишечнике в течение восьми часов и передает изображение на записывающее устройство, прикрепленное к поясу пациента.
PillCam – это проглатываемое эндоскопическое устройство, которое передает изображения кишечника на записывающее устройство в течение восьми часов, а затем выходит из организма естественным путемАmazon
Группа исследователей из Стэнфорда и Университета штата Огайо создала роботизированную гусеницу на основе оригами Креслинга – типа оригами, основанного на кривизне цилиндрической оболочки. Устройство может преодолевать сопротивление биологических жидкостей и проникать в труднодоступные места благодаря своей способности двигаться, как земляной червь, используя силу трения и сжатия отдельных частей тела. Исследователи считают, что их разработка может послужить минимально инвазивным устройством для решения биомедицинских задач, таких как эндоскопия, биопсия и доставка лекарств.
Четырехблочный механизм гусеничного устройства на основе оригами КреслингаНаучные достижения
В 2022 году та же группа исследователей создала еще более сложное устройство, опять же с использованием техники оригами – робот-амфибию. Он перемещается благодаря магнитной пластине, прикрепленной к одному краю. Устройство может ползать, катиться, переворачиваться и перемещаться через биологические жидкости, вращаясь вокруг собственной оси.
Были и экспериментальные съедобные устройства: в 2013 году компания Motorola разработала “витамин аутентификации” – электронную таблетку, которая, находясь в организме, превращает глотателя в “живой пароль” для своих гаджетов. Таблетка должна была активироваться желудочным соком, который действует как электролит, а затем 18-битный сигнал передавался бы на смартфон или компьютер, разблокируя устройство. Хотя компания сочла свою разработку безопасной для употребления до 30 раз в день, она так и не вышла на рынок.
Из чего сделаны съедобные устройства
Несмотря на привлекательность и перспективность съедобной электроники, прогресс в этой области был медленным. Причины этого объясняет группа исследователей из Итальянского технологического института и Университета Карнеги-Меллон в докладе, опубликованном в журнале Advanced Materials Technologies. Одним из основных препятствий является сложность выбора “ингредиентов”.
Ученым приходится проявлять изобретательность: соединения и элементы, обычно встречающиеся в электронике, нельзя употреблять или можно употреблять в очень малых количествах, например, марганец, кремний, медь и магний.
Ученые рассматривают биоразлагаемые полимеры, такие как фиброин шелка, яблочный экстракт, гороховый протеин и карамелизированный сахар, в качестве подложек для электронных материалов.
Золото и серебро – инертные материалы, которые можно употреблять в качестве пищевых добавок. Ученые планируют использовать их в качестве проводников. Такую роль также может играть спортивный напиток Gatorade или Vegemite, национальное блюдо Австралии, спред на основе дрожжей. Идея заключается в том, что эти продукты содержат большое количество заряженных электролитов.
Производство съедобных полупроводников – еще один вызов для ученых. “Полупроводники играют ключевую роль в функционировании электроники, поскольку они обеспечивают перенос зарядов, излучение света и преобразование фотонов в заряды”. – объясняют исследователи. Определенные белки, пигменты и красители могут решить эту проблему. Обычный кремний может быть интегрирован, но в очень ограниченных количествах.
Как заряжать умные таблетки
Сложность выбора подходящих материалов для устройств – не единственная проблема. Это те препятствия, которые еще предстоит преодолеть инженерам, прежде чем съедобная электроника станет повсеместной:
Поиск способов питания устройств. Микроскопические литиевые батареи могли бы справиться с этой задачей, но электроды должны быть безопасными химическими веществами. Например, профессор Кристофер Беттингер изобрел катод из меланина – пигмента, окрашивающего кожу и волосы. Стоит подумать о том, чтобы вообще отказаться от батарей. В этом случае съедобное устройство будет получать химическую энергию от пищи в желудке или собирать кинетическую энергию, которая создается движениями пищеварительного тракта. Пока что такие разработки не увенчались успехом. Придумайте способы связи съедобной электроники с внешними устройствами для передачи информации. Несъедобные датчики и имплантаты передают информацию по радиочастотным цепям, но таких устройств, полностью съедобных, пока не существует.
- Хотите связаться со мной?
