Chip Nirkas Miniatur dengan Ultrasound untuk Memantau Proses Tubuh
Insinyur Columbia telah mengembangkan sistem single-chip terkecil yang merupakan rangkaian elektronik yang berfungsi sepenuhnya; chip implanter yang hanya terlihat melalui mikroskop membuka jalan bagi pengembangan chip yang dapat disuntikkan ke dalam tubuh dengan jarum suntik untuk memantau kondisi medis.
Perangkat medis implanter yang banyak digunakan untuk memantau dan memetakan sinyal biologis, mendukung serta meningkatkan fungsi fisiologis, dan mengobati penyakit sedang mengubah layanan kesehatan serta meningkatkan kualitas hidup jutaan orang. Para peneliti semakin tertarik merancang perangkat medis implanter miniaturisasi nirkabel untuk pemantauan fisiologis in vivo dan in situ. Perangkat ini dapat digunakan untuk memantau kondisi fisiologis, seperti suhu, tekanan darah, glukosa, dan pernapasan, baik untuk prosedur diagnostik maupun terapeutik.
Sampai saat ini, elektronika implanter konvensional sangat tidak efisien dalam volume — umumnya membutuhkan banyak chip, pembungkus, kabel, dan transmuder eksternal, serta baterai sering kali diperlukan untuk penyimpanan energi. Tren konstan dalam elektronika adalah integrasi yang lebih erat komponen elektronik, seringkali memindahkan lebih dan lebih fungsi ke dalam rangkaian terpadu itu sendiri.
Peneliti di Columbia Engineering melaporkan bahwa mereka telah membangun sistem single-chip terkecil di dunia menurutnya, dengan volume total kurang dari 0.1 mm³. Sistem ini sebesar mitos debu dan hanya terlihat di bawah mikroskop. Untuk mencapai hal ini, tim menggunakan ultrasound untuk menyediakan daya dan berkomunikasi secara nirkabel dengan perangkat.
"Kami ingin melihat sejauh mana kami bisa mendorong batasan seberapa kecil sebuah chip yang berfungsi yang dapat kita buat," kata pemimpin studi Ken Shepard, profesor Lau Family teknik elektro dan profesor teknik biomedis. "Ini adalah ide baru 'chip sebagai sistem' — ini adalah chip yang sendirian, tanpa apa pun lagi, merupakan sistem elektronik yang berfungsi sepenuhnya. Ini harus revolusioner untuk pengembangan perangkat medis implanter miniaturisasi nirkabel yang dapat merasakan berbagai hal, digunakan dalam aplikasi klinis, dan akhirnya disetujui untuk penggunaan manusia."
Hubungan komunikasi RF tradisional tidak mungkin untuk perangkat sekecil ini karena panjang gelombang gelombang elektromagnetik terlalu besar relatif terhadap ukuran perangkat. Karena panjang gelombang ultrasound jauh lebih kecil pada frekvensi yang diberikan karena kecepatan suara jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya, tim menggunakan ultrasound untuk menyediakan daya dan berkomunikasi secara nirkabel dengan perangkat. Mereka memproduksi "antena" untuk berkomunikasi dan menyediakan daya dengan ultrasound langsung di atas chip.
Chip, yang merupakan seluruh mota implanter/injeksi tanpa pembungkus tambahan, diproduksi di Taiwan Semiconductor Manufacturing Company dengan modifikasi proses tambahan yang dilakukan di ruang bersih Columbia Nano Initiative dan City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC) Nanofabrication Facility.
Shepard mengomentari, "Ini adalah contoh bagus dari teknologi 'more than Moore' — kami memperkenalkan bahan baru pada komplementer metal-oksida-semikonduktor standar untuk memberikan fungsi baru. Dalam hal ini, kami menambahkan bahan piezoelektrik secara langsung pada rangkaian terpadu untuk mentransduksi energi akustik menjadi energi listrik."
Tujuan tim adalah mengembangkan chip yang dapat disuntikkan ke dalam tubuh dengan jarum suntik dan kemudian berkomunikasi kembali keluar dari tubuh menggunakan ultrasound, memberikan informasi tentang sesuatu yang mereka ukur secara lokal. Perangkat saat ini mengukur suhu tubuh, tetapi ada banyak kemungkinan lainnya yang sedang dikerjakan oleh tim.
