Laboratoria.net
|
Zamknij X
|
Implanty w organizmie, takie jak kardiostymulatory
czy aparaty słuchowe, stosuje się od dziesiątek lat do zaradzenia
dysfunkcjom organów. Projekt WISERBAN dokonuje olbrzymiego postępu w ich
rozwoju, dążąc do zapewnienia inteligentniejszych sposobów
komunikowania się takich urządzeń przy jednoczesnym zmniejszeniu
rozmiarów i zużycia energii.
W niedalekiej przyszłości ludzie trapieni tak zróżnicowanymi
problemami zdrowotnymi jak choroba Alzheimera, cukrzyca, utrata słuchu,
niewydolność krążenia czy nawet utrata kończyny będą mogli mieć coś
wspólnego: inteligentne i sprawne urządzenia wewnątrz lub na zewnątrz
organizmu, które sprawią, że ich codzienne życie będzie łatwiejsze i przyjemniejsze. Kluczowe znaczenie ma tutaj opracowanie miniaturowych
kanałów komunikacji bezprzewodowej o ultra niskim zużyciu energii.
Dzięki nim urządzenia będą mogły komunikować zmiany w aktualnym stanie i odpowiednio dostosowywać leczenie. Obecne rozwiązania bezprzewodowe
pozwalają na osiągnięcie jedynie ograniczonej autonomii i dołączalności
ze względu na rozmiary i zużycie energii. Mając na uwadze fakt, że
przeszkoda ta ogranicza obecnie potencjał "osobistej sieci
bezprzewodowej" (WBAN) w zastosowaniach lifestylowych i biomedycznych,
projekt WISERBAN zgromadził czołowych producentów urządzeń medycznych,
instytuty badawcze i producentów chipów, aby pokonać tę przeszkodę.
Projekt WISERBAN koncentruje się na ekstremalnej miniaturyzacji
urządzeń sieci osobistej typu BAN. Dotyka takich obszarów jak
komunikacja radiowa (RF), systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) i miniaturowe komponenty, miniaturowe rekonfigurowalne anteny,
zminiaturyzowane i opłacalne moduły SiP, radiowe SoC na bazie MEMS o ultra niskim zużyciu energii czy przetwarzanie sygnałów czujników i elastyczne protokoły komunikacyjne.
W wywiadzie przeprowadzonym przez magazyn research*eu nt. wyników z koordynatorem projektu, dr Vincent Peiris przedstawia bliżej wkład
projektu w doskonalenie najnowszej technologii oraz jego dorobek, który
zwiększy komfort i dostępność ICT dla upośledzonych i niepełnosprawnych
osób w każdym wieku. Dr Peiris jest kierownikiem sekcji projektowania
radiowych i analogowych układów scalonych w szwajcarskim Centre Suisse
d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) w Neuchâtel.
Jakie są główne cele projektu?
W coraz większym wymiarze polegamy na bezprzewodowych sieciach
osobistych kolejnej generacji w inteligentniejszych urządzeniach
medycznych, zdrowotnych czy lifestylowych. Opracowywane są czujniki
sieciujące zakładane na ciało lub wszczepiane do organizmu, a kluczem do
takiej technologii są niewielkie bezprzewodowe kanały komunikacyjne o ultra niskim zużyciu energii. W tym kontekście, w ramach projektu
WISERBAN ma zostać opracowany ultraminiaturowy mikrosystem
bezprzewodowy, składający się z radia 2,4 GHz, mikroprocesora do
przetwarzania danych z czujnika i radiowych urządzeń MEMS do poprawy
sprawności radiowej, a wszystko to w module SiP 4 x 4 x 1 mm3 o zużyciu
mocy rzędu kilku miliwatów. Celem są urządzenia 50 razy mniejsze o 20
razy mniejszym zapotrzebowaniu na energię od istniejących produktów
konsumenckich, które zasadniczo bazują na klasycznych rozwiązaniach typu
Blutetooth.
Na czym polega nowość lub innowacyjność projektu i jego podejścia do tych kwestii?
Wyjątkowość konsorcjum WISERBAN polega na utworzeniu federacji wokół
czterech czołowych partnerów przemysłowych: SORIN - implanty
kardiologiczne, Siemens Audiology Solutions - aparaty słuchowe,
Debiotech - pompy insulinowe oraz MED-EL - implanty ślimakowe, którzy
łącznie wnoszą rygorystyczne i zorientowane rynkowo wymagania. Ich
produkty znacznie się od siebie różnią, gdyż niektóre są wszczepiane, a inne noszone na ciele. Ponadto ukierunkowanie na opiekę zdrowotną wiąże
się z ograniczeniami, które niekoniecznie są takie same jak w przypadku
zapotrzebowania lifestylowego. Niemiej możliwe było zdefiniowanie cech
wspólnych dotyczących warstwy komunikacji bezprzewodowej, co umożliwiło
nam zmodyfikowanie dedykowanej specyfikacji radiowej i rozbicie
architektury, aby wspomóc obecny rozwój technologiczny.
Dwie główne innowacje w urządzeniu WISERBAN to unikatowa
architektura radiowa o niskim zużyciu energii i wielkość: 4 x 4 x 1 mm3.
Na poziomie radiowym stworzyliśmy unikalne połączenie
ultra-głębokich-submikronowych układów CMOS (komplementarnych
metal-tlenek-półprzewodników) z heterogenicznym zestawem urządzeń MEMS -
takich jak rezonatory RF akustycznych fal objętościowych (BAW), filtry
RF akustycznych fal powierzchniowych (SAW) i rezonatory krzemowe niskiej
częstotliwości (SiRes) - podczas gdy dzisiejsze podejście opiera się na
układach wyłącznie z CMOS, które wymagają kilku zewnętrznych i przestrzennych komponentów pasywnych, takich jak kryształy i filtry RF.
Połączenie MEMS z CMOS umożliwia znaczne pomniejszenie modułu SiP w porównaniu do modeli wykorzystujących chipy CMOS, a także modyfikację
pobudzających architektur radiowych, które wykorzystują atuty urządzeń
MEMS do kompensowania ograniczeń układów CMOS i odwrotnie. Umożliwia to
bardzo sprawny rozruch sekcji nadajnika-odbiornika, a tym samym szybkie
obudzenie radia. Ma to zasadnicze znaczenie dla funkcjonowania na małej
mocy, gdyż eliminuje zbędne zużycie prądu, które zwykle wiąże się z powolnym rozruchem klasycznych architektur radiowych.
Równolegle opracowaliśmy zminiaturyzowany moduł SiP, aby osiągnąć
docelowy rozmiar 4 x 4 x 1 mm3 przy zachowaniu przystępności z punktu
widzenia komercyjnego. Aktualne rozwiązania, takie jak trójwymiarowe
(3D) scalanie krzemu jest techniczne złożone, a jego włączenie przez
odlewnie krzemu do swoich procesów jest raczej kosztowne. Dzięki
WISERBAN urządzenia CMOS i MEMS są osadzone w bardzo cienkich,
epoksydowych tworzywach warstwowych, a płaskie dwuwymiarowe (2D) moduły
SiP mogą być wówczas układane w stosy za pomocą wypustek lutowia, aby
uzyskać moduły SiP 3D. Opłacalność i nieodłączna modularność tej
platformy SiP umożliwia łatwą konfigurację w odpowiedzi na zróżnicowane
wymagania użytkowników końcowych.
Jakie trudności napotkaliście i jak je rozwiązaliście?
Projekt WISERBAN wprowadza innowacje do wielu bezprzewodowych
technologii, takich jak miniaturowe anteny, chipy radiowe, układy
przetwarzania cyfrowego i urządzenia MEMS, ale także oprogramowanie do
sterowania systemem i bezprzewodowego sieciowania czujników. Integracja
systemu - która polega na doprowadzeniu ich do wspólnej pracy w ramach
jednego demonstratora lub produktu - to zatem bardzo złożone zadanie i główne wyzwanie w toku prac nad projektem. Wymagało ono opracowania
rygorystycznej specyfikacji zstępującej i rozbicia architektury, aby
upewnić się, czy każdy segment uwzględnia swoje warunki otoczenia i interfejsy z innymi komponentami. Zespoły badawcze z kilku krajów
unijnych mają naturalną tendencję do koncentrowania się na wyzwaniach
naukowych związanych z ich własnymi segmentami w ujęciu indywidualnym,
dlatego też integracja systemu polegała także na zapewnieniu efektywnych
i systematycznych kontaktów między nimi. Tworzenie kreatywnego i stymulującego środowiska na rzecz prawidłowej integracji systemu i pełnienie roli integratora systemu było naczelnym zadaniem CSEM jako
koordynatora naukowego projektu.
Konkretnym przykładem jest udana realizacja, za pierwszym
podejściem, SoC WISERBAN - integracji systemowej kilku technologicznych
"cegiełek", takich jak MEMS i układy radiowe z procesorem sygnałowym
(DSP) na jednej płytce krzemowej w CMOS o głębokości 65 nm. Z drugiej
strony inne cegłówki technologiczne, takie jak SiRes MEMS, okazały się
niezwykle trudne do osiągnięcia ze względu na konieczność opracowania
całkowicie nowego procesu produkcji, przetwarzania i hermetyzacji, co
okazało się bardziej czasochłonne niż się spodziewano, aby uzyskać
urządzenia o satysfakcjonującej wydajności. W celu uporania się z tymi
problemami nawiązana została synergistyczna relacja z innym,
dofinansowywanym z budżetu 7PR projektem - GO4TIME2 - który zajmuje się
zagadnieniami MEMS, aby dostarczyć wielodzielcze elementy technologiczne
na potrzeby SiRes MEMS WISERBAN.
Jakie konkretne wyniki przyniosły dotychczas badania?
Jest to np. pierwsza wersja SoC WISERBAN, łącząca na jednym chipie w CMOS o głębokości 65 nm kompletny nadajnik na bazie MEMS i procesor
sygnałowy z rodziny icyflex, która zadziałała przy pierwszej próbie.
Obecnie zespoły pracują nad integracją pozostałych segmentów w finalną
wersję SoC.
Kolejnym niezwykle ciekawym osiągnięciem jest udostępnienie
pierwszych, miniaturowych prototypów anten, które zostały opracowane z uwzględnieniem rygorystycznego środowiska i warunków propagacji
związanych z ostateczną obudową (np. aparatu słuchowego czy implantu
ślimakowego). Opracowano i pomyślnie scharakteryzowano w warunkach
laboratoryjnych zarówno pasywne, jak i aktywne anteny - przez aktywne
należy rozumieć urządzenie wyposażone w mechanizmy strojenia obejmujące
całe pasmo częstotliwości 2,4 GHz. Kolejnym krokiem jest połączenie ich z SoC WISERBAN i sprawdzenie ich właściwej funkcjonalności po
umieszczeniu w wybranych obudowach.
Na poziomie MEMS opracowanych zostało kilka pierwszych prototypów,
które miały swoją udaną demonstrację, to jest rezonatory i filtry BAW
oraz filtry SAW. Pierwsze obiecujące wyniki MEMS SiRes uzyskane zostały
na płytce niezamkniętej, niemniej wymagają one potwierdzenia w opakowaniu próżniowym. Kolejnym krokiem będzie stabilizacja procesu
opakowywania SiRes - to kluczowe wyzwanie, nad którym są obecnie
prowadzone prace.
Jeżeli chodzi o oprogramowanie, to partnerzy reprezentujący
przemysłowych użytkowników końcowych opracowali wspólne ramy do budowy
elementów oprogramowania sterującego. Co zaś się tyczy kwestii
sieciowania, opracowano i zoptymalizowano dedykowany stos protokołów z uwzględnieniem komunikacji o małej mocy na potrzeby sieci indywidualnych
czujników. Potencjał tego protokołu już został zademonstrowany we
wzorcowej sieci czujników, zbudowanej z gotowych układów radiowych,
jeszcze przed wdrożeniem sieci WISERBAN.
Kiedy spodziewacie się, że technologia zacznie przynosić korzyści unijnym obywatelom?
Technologia powinna zacząć przynosić korzyści unijnym obywatelom,
kiedy tylko pełna technologia WISERBAN zostanie zamontowana w produktach
dla użytkowników końcowych. Spodziewamy się tego około 2015 r. - być
może nieco później w przypadku produktów związanych z opieką zdrowotną,
które wymagają więcej etapów certyfikacji. Konkretne elementy
technologii, takie jak niektóre obwody czy urządzenia MEMS, mogą zostać
przekształcone na produkty półprzewodnikowe wcześniej, w 2014 r.
Jakie są kolejne etapy projektu lub tematy waszych prac badawczych?
Wykraczając poza projekt WISERBAN, wyłoniło się kilka tematów
przyszłych prac badawczych. Prace w ramach projektu WISERBAN dotyczą
zastosowań zasilanych przez niewielkie baterie - a zatem pierwsza
ścieżka badawcza dotyczyłaby dalszej integracji systemu poprzez
połączenie go ze wschodzącymi technologiami pozyskiwania energii, które
mogłyby ją gromadzić z ruchu kończyn, bicia serca czy ciepłoty ciała.
Kolejną interesującą ścieżką jest dalsza redukcja objętości i rozmiarów bezprzewodowych mikrosystemów poprzez lepsze pobudzające
architektury radiowe, wykorzystujące technologie CMOS kolejnej generacji
(np. CMOS o głębokości 10 nm) czy te wykraczające poza CMOS (na bazie
nanomateriałów). Tego typu podejścia torują drogę w kierunku urządzeń
komunikacyjnych "zero energii" i praktycznie niewidzialnych,
umożliwiając mnogość nowatorskich zastosowań zdrowotnych i biomedycznych, takich jak inteligentna skóra na potrzeby protetyki,
dyskretne urządzenia monitorujące na rzecz zdrowego życia i starzenia
się, sieci implantów wspomagające interwencje chirurgiczne czy
niewielkie, wszczepiane urządzenia neurostymulujące do leczenia schorzeń
neurologicznych.
Koordynatorem projektu było Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) w Szwajcarii.
Więcej informacji:
WISERBAN
http://www.wiserban.eu/
Karta informacji o projekcie:
http://cordis.europa.eu/projects/rcn/95472_pl.html
CSEM
http://www.csem.ch/site/
Źródło: http://cordis.europa.eu
25 maja 2018 roku zacznie obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r (RODO). Potrzebujemy Twojej zgody na przetwarzanie Twoich danych osobowych przechowywanych w plikach cookies. Poniżej znajdziesz pełny zakres informacji na ten temat.
Zgadzam się na przechowywanie na urządzeniu, z którego korzystam tzw. plików cookies oraz na przetwarzanie moich danych osobowych pozostawianych w czasie korzystania przeze mnie ze strony internetowej Laboratoria.net w celach marketingowych, w tym na profilowanie i w celach analitycznych.
Administratorami Twoich danych będziemy my: Portal Laboratoria.net z siedzibą w Krakowie (Grupa INTS ul. Czerwone Maki 55/25 30-392 Kraków).
Chodzi o dane osobowe, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług w tym zapisywanych w plikach cookies.
Przetwarzamy te dane w celach opisanych w polityce prywatności, między innymi aby:
dopasować treści stron i ich tematykę, w tym tematykę ukazujących się tam materiałów do Twoich zainteresowań,
dokonywać pomiarów, które pozwalają nam udoskonalać nasze usługi i sprawić, że będą maksymalnie odpowiadać Twoim potrzebom,
pokazywać Ci reklamy dopasowane do Twoich potrzeb i zainteresowań.
Zgodnie z obowiązującym prawem Twoje dane możemy przekazywać podmiotom przetwarzającym je na nasze zlecenie, np. agencjom marketingowym, podwykonawcom naszych usług oraz podmiotom uprawnionym do uzyskania danych na podstawie obowiązującego prawa np. sądom lub organom ścigania – oczywiście tylko gdy wystąpią z żądaniem w oparciu o stosowną podstawę prawną.
Masz między innymi prawo do żądania dostępu do danych, sprostowania, usunięcia lub ograniczenia ich przetwarzania. Możesz także wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych, zgłosić sprzeciw oraz skorzystać z innych praw.
Każde przetwarzanie Twoich danych musi być oparte na właściwej, zgodnej z obowiązującymi przepisami, podstawie prawnej. Podstawą prawną przetwarzania Twoich danych w celu świadczenia usług, w tym dopasowywania ich do Twoich zainteresowań, analizowania ich i udoskonalania oraz zapewniania ich bezpieczeństwa jest niezbędność do wykonania umów o ich świadczenie (tymi umowami są zazwyczaj regulaminy lub podobne dokumenty dostępne w usługach, z których korzystasz). Taką podstawą prawną dla pomiarów statystycznych i marketingu własnego administratorów jest tzw. uzasadniony interes administratora. Przetwarzanie Twoich danych w celach marketingowych podmiotów trzecich będzie odbywać się na podstawie Twojej dobrowolnej zgody.
Dlatego też proszę zaznacz przycisk "zgadzam się" jeżeli zgadzasz się na przetwarzanie Twoich danych osobowych zbieranych w ramach korzystania przez ze mnie z portalu *Laboratoria.net, udostępnianych zarówno w wersji "desktop", jak i "mobile", w tym także zbieranych w tzw. plikach cookies. Wyrażenie zgody jest dobrowolne i możesz ją w dowolnym momencie wycofać.
Więcej w naszej POLITYCE PRYWATNOŚCI