Le réseau de capteurs est conçu pour que les puces puissent être implantées dans le corps ou intégrées dans des appareils portables. Chaque capteur en silicium de taille submillimétrique imite la façon dont les neurones du cerveau communiquent via des pics d'activité électrique. Crédit : Nick Dentamaro/Université Brown
Cette méthode innovante favorise le développement de la technologie des capteurs sans fil et ouvre la porte à l’utilisation potentielle d’un grand nombre de capteurs discrets dans les microdispositifs biomédicaux implantables et portables à l’avenir.
De minuscules puces pourraient constituer une avancée majeure pour une équipe de scientifiques dirigée par des ingénieurs de l’Université Brown.
Dans Nature Electronics, l'équipe de recherche décrit une nouvelle approche pour un réseau de communication sans fil capable de transmettre, de recevoir et de décoder efficacement les données de milliers de puces microélectroniques dont chacune n'est pas plus grosse qu'un grain de sel.
Le réseau de capteurs est conçu pour que les puces puissent être implantées dans le corps ou intégrées dans des appareils portables. Chaque capteur en silicium de taille submillimétrique imite la façon dont les neurones du cerveau communiquent via des pics d'activité électrique. Les capteurs détectent des événements spécifiques sous forme de pics, puis transmettent ces données sans fil en temps réel à l'aide d'ondes radio, économisant ainsi de l'énergie et de la bande passante.
Transmission de données efficace inspirée du cerveau
« Notre cerveau fonctionne de manière très clairsemée », a déclaré Jihun Lee, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l'étude. « Les neurones ne fonctionnent pas tout le temps. Ils compressent les données et se déclenchent avec parcimonie afin d'être très efficaces. Nous imitons cette structure ici dans notre approche des télécommunications sans fil. Les capteurs n'enverraient pas de données tout le temps – ils enverraient simplement des données pertinentes selon les besoins sous forme de courtes rafales de pointes électriques, et ils seraient capables de le faire indépendamment des autres capteurs et sans coordination avec un récepteur central. En faisant cela, nous parviendrons à économiser beaucoup d’énergie et à éviter d’inonder notre hub de réception central de données moins significatives.
Ce schéma de transmission radiofréquence rend également le système évolutif et résout un problème courant avec les réseaux de communication de capteurs actuels : ils doivent tous être parfaitement synchronisés pour fonctionner correctement.
Écrire dans Électronique naturelle, l'équipe de recherche décrit une nouvelle approche pour un réseau de communication sans fil capable de transmettre, de recevoir et de décoder efficacement les données de milliers de puces microélectroniques dont chacune n'est pas plus grosse qu'un grain de sel. Crédit : Nick Dentamaro/Université Brown
Les chercheurs affirment que ces travaux marquent une avancée significative dans la technologie des capteurs sans fil à grande échelle et pourraient un jour contribuer à façonner la manière dont les scientifiques collectent et interprètent les informations provenant de ces petits dispositifs en silicium, d'autant plus que les capteurs électroniques sont devenus omniprésents grâce à la technologie moderne.
« Nous vivons dans un monde de capteurs », a déclaré Arto Nurmikko, professeur à la Brown's School of Engineering et auteur principal de l'étude. «Ils sont partout. Ils sont certainement présents dans nos automobiles, dans de nombreux lieux de travail et pénètrent de plus en plus dans nos maisons. L’environnement le plus exigeant pour ces capteurs se trouvera toujours à l’intérieur du corps humain.
Applications dans les capteurs biomédicaux
C'est pourquoi les chercheurs pensent que le système peut contribuer à jeter les bases de la prochaine génération de capteurs biomédicaux implantables et portables. Il existe un besoin croissant en médecine de microdispositifs efficaces, discrets et imperceptibles, mais qui fonctionnent également dans le cadre d’un vaste ensemble pour cartographier l’activité physiologique dans l’ensemble d’un domaine d’intérêt.
« Il s'agit d'une étape importante dans le développement réel de ce type de microcapteur sans fil basé sur des pointes », a déclaré Lee. « Si nous continuons à utiliser des méthodes conventionnelles, nous ne pouvons pas collecter les données à haut niveau de canal dont ces applications auront besoin dans ce type de systèmes de nouvelle génération. »
Les événements identifiés et transmis par les capteurs peuvent être des événements spécifiques tels que des changements dans l'environnement qu'ils surveillent, notamment des fluctuations de température ou la présence de certaines substances.
Les capteurs sont capables d'utiliser aussi peu d'énergie qu'eux, car des émetteurs-récepteurs externes fournissent une alimentation sans fil aux capteurs lorsqu'ils transmettent leurs données, ce qui signifie qu'ils doivent simplement être à portée des ondes d'énergie envoyées par l'émetteur-récepteur pour obtenir une charge. Cette capacité à fonctionner sans avoir besoin d’être branché sur une source d’alimentation ou une batterie les rend pratiques et polyvalents pour une utilisation dans de nombreuses situations différentes.
L’équipe a conçu et simulé l’électronique complexe sur un ordinateur et a travaillé sur plusieurs itérations de fabrication pour créer les capteurs. Le travail s'appuie sur des recherches antérieures du laboratoire de Nurmikko à Brown qui ont introduit un nouveau type de système d'interface neuronale appelé « neurograins ». Ce système utilisait un réseau coordonné de minuscules capteurs sans fil pour enregistrer et stimuler l’activité cérébrale.
« Ces puces sont assez sophistiquées en tant que dispositifs microélectroniques miniatures, et il nous a fallu un certain temps pour en arriver là », a déclaré Nurmikko, qui est également affilié au Carney Institute for Brain Science de Brown. « La quantité de travail et d'efforts nécessaires pour personnaliser les différentes fonctions liées à la manipulation de la nature électronique de ces capteurs – qui sont essentiellement réduits à une fraction de millimètre d'espace de silicium – n'est pas anodine. »
Développement et orientations futures
Les chercheurs ont démontré l’efficacité de leur système ainsi que la mesure dans laquelle il pourrait potentiellement être étendu. Ils ont testé le système à l’aide de 78 capteurs en laboratoire et ont constaté qu’ils étaient capables de collecter et d’envoyer des données avec peu d’erreurs, même lorsque les capteurs transmettaient à des moments différents. Grâce à des simulations, ils ont pu montrer comment décoder les données collectées dans le cerveau des primates à l’aide d’environ 8 000 capteurs hypothétiquement implantés.
Les chercheurs affirment que les prochaines étapes comprennent l’optimisation du système pour réduire la consommation d’énergie et l’exploration d’applications plus larges au-delà de la neurotechnologie.
« Le travail actuel fournit une méthodologie sur laquelle nous pouvons nous appuyer davantage », a déclaré Lee.
L'étude a été financée par le Instituts nationaux de la santé.
