Этот материал ребята из команды Трендов обсудили в выпуске подкаста «Летучка». Послушать можно на любой удобной платформе: в плеере выше, в Apple Podcasts, CastBox, «Яндекс.Музыке», Google Podcasts и везде, где есть подкасты.
Для чего нужны съедобные устройства
В серии романов «Фантастическое путешествие» Айзека Азимова герои уменьшаются до размеров атома и проникают внутрь тела ученого, чтобы уничтожить тромб в его мозге. Этот сюжет из научной фантастики скоро может стать повсеместной реальностью — только вместо крошечных человечков в организме будут хозяйничать электронные устройства, точечно доставляющие лекарства и отслеживающие состояние пациента изнутри.
Профессор Кристофер Беттингер и его коллеги из Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге, Пенсильвания одними из первых начали заниматься разработкой медицинской биоразлагаемой электроники и заметнее других продвинулись в этой теме. Идея их разработки состоит в том, что пациент проглатывает устройство в форме таблетки, которое состоит из гибких полимерных электродов и электрохимической ячейки с ионами натрия, которая служит источником энергии. Все это помещается в съедобную капсулу и проглатывается. Устройство запрограммировано на установку в желудочно-кишечном тракте или тонком кишечнике. Затем активируется батарея, и таблетка начинает выполнять свои задачи: измеряет биомаркеры, мониторит функции желудка или подает ток для стимуляции мышц. Когда батарея садится, устройство проходит через остальную часть ЖКТ и выходит из организма.
Задачи, которые будет выполнять съедобная электроника, подразделяются на биомедицинские и пищевые. К первым относятся следующие функции:
-
контроль здоровья желудочно-кишечного тракта;
-
обнаружение кровотечений;
-
терапия и доставка лекарств;
-
выявление доброкачественных опухолей.
К пищевым относятся:
-
контроль температуры тела;
-
определение pH и температуры желудочно-кишечной жидкости;
-
исследование концентрации глюкозы в желудочно-кишечной жидкости;
-
наблюдение за кислотностью в желудке и кишечнике;
-
анализ ферментов и микробов;
-
составление схемы приема пищи и напитков.
На данный момент существуют миниатюрные устройства, которые можно глотать, но они не растворяются внутри организма, а выводятся естественным образом. Полностью съедобная электроника сейчас находится на экспериментальной стадии.
Таблетка-эндоскоп и роботы-доставщики лекарств
Ученые находят множество применений для проглатываемых и съедобных устройств. Самое очевидное — капсульная эндоскопия. Это процесс, когда встроенная в капсулу камера делает снимки ЖКТ по мере прохождения через организм. В результате исчезает необходимость во вставке трубки-эндоскопа. В будущем врачи смогут отслеживать состояние пациента «в прямом эфире», без приема в больнице. Такая разработка есть у израильской компании Given Imaging. PillCam — это таблетка с камерой, которая находится в кишечнике в течение восьми часов и передает изображение на записывающее устройство, закрепленное на талии пациента.
Группа ученых из Стэнфорда и Университета штата Огайо создала робота-гусеницу на основе оригами Креслинга — вида оригами, основанного на изгибах цилиндрической оболочки. Устройство может преодолевать сопротивление жидкостей организма и проникать в труднодоступные места благодаря умению двигаться, как дождевой червь, используя силу трения и сокращая отдельные части тела. Исследователи считают, что их разработка может служить минимально инвазивным устройством для биомедицинских задач — эндоскопии, биопсии и доставки лекарств.
В 2022 году эта же группа ученых создала еще более сложное устройство, снова воспользовавшись техникой оригами — робота-амфибию. Он перемещается благодаря магнитной пластине, прикрепленной к одной из граней. Устройство может ползать, перекатываться, переворачиваться и перемещаться по жидкостям организма, вращаясь вокруг своей оси.
Были и экспериментальные съедобные устройства: в 2013 году компания Motorola разработала «витамин аутентификации» — электронную таблетку, которая превращает проглотившего в «живой пароль» для своих гаджетов, пока находится в организме. Таблетка должна была активироваться с помощью желудочного сока, который действует как электролит, а затем 18-битный сигнал должен был передаваться на смартфон или компьютер, разблокируя устройство. Несмотря на то, что компания считала свою разработку безопасной для проглатывания до 30 раз в день, на рынок она так и не вышла.
Из чего состоят съедобные устройства
Несмотря на привлекательность и перспективность съедобной электроники, прогресс в этой области идет медленно. Причины объясняет группа ученых из Итальянского технологического института и Университета Карнеги-Меллона в докладе, опубликованном в журнале Advanced Materials Technologies. Одно из главных препятствий — сложность в подборе «ингредиентов».
Здесь ученым приходится проявлять изобретательность: соединения и элементы, которые обычно содержатся в электронике, нельзя употреблять в пищу или можно в очень небольших количествах — например, марганец, кремний, медь и магний.
В качестве подложек для электронных материалов ученые рассматривают биоразлагаемые полимеры: фиброин шелка, яблочный экстракт, гороховый белок и карамелизованный сахар.
Золото и серебро — инертные материалы, которые можно употреблять в качестве пищевых добавок. Их исследователи планируют использовать как проводники. В этой роли могут также выступить спортивный напиток Gatorade или Vegemite — австралийское национальное блюдо, которое представляет собой спред на основе дрожжевого экстракта. Все дело в том, что эти продукты содержат много заряженных электролитов.
Произвести съедобные полупроводники — еще одна сложная задача для ученых. «Полупроводники играют ключевую роль для функционирования электроники, поскольку они обеспечивают перенос заряда, излучение света и преобразование фотона в заряд», — поясняют исследователи. Некоторые белки, пигменты и красители могут решить эту задачу. Можно интегрировать привычный кремний, но в очень ограниченном количестве.
Как заряжать «умные» таблетки
Сложности в подборе нужных материалов для устройств — не единственная проблема. Вот какие препятствия еще предстоит преодолеть инженерам, прежде чем съедобная электроника станет использоваться повсеместно:
- Найти способы питания устройств. С этой задачей могут справиться микроскопические литиевые батареи, но в качестве электродов должны использоваться безопасные для организма химические вещества. Профессор Кристофер Беттингер, например, придумал катод из меланина — пигмента, который окрашивает кожу и волосы.
- Рассмотреть возможность вообще отказаться от батареек. В таком случае съедобное устройство должно получать химическую энергию из пищи, которая находится в желудке или собирать кинетическую энергию, которая вырабатывается движениями ЖКТ. До сих пор подобные разработки не смогли достичь успеха.
- Придумать способы коммуникации съедобной электроники с внешними устройствами для передачи информации. Несъедобные проглатываемые датчики и импланты передают информацию с помощью радиочастотных систем, но полностью съедобных подобных устройств пока не существует.