Claire Swedberg
Pesquisadores da Northwestern University estão realizando a segunda fase de um projeto de três anos para criar um pequeno dispositivo que voa, coleta leituras de sensores no ar ambiente e transmite os resultados via Near Field Communication (NFC). Com asas especializadas, este dispositivo foi projetado para ser lançado de uma aeronave e voar.
O grupo publicou seu primeiro artigo revisado por pares sobre esse tópico na revista Nature em setembro de 2021, com mais trabalhos em andamento que serão descritos em um artigo subsequente neste verão. Todo o dispositivo sensor, com asas, software NFC em um chip (SoC) e tecnologia de sensor, mede alguns milímetros de tamanho, com a opção de reduzir para aproximadamente o tamanho de um grão de areia usando outras tecnologias sem fio. Quando a etiqueta é liberada em correntes de ar, suas asas 3D permitem que ela flutue com essas correntes em uma combinação de movimentos rotacionais e deslizantes.
O objetivo da equipe é projetar uma peça de tecnologia sem bateria que possa ser dispersa em um ambiente para capturar informações do sensor ambiente, como poluentes e padrões climáticos, à medida que desliza para a Terra. A tecnologia NFC pode ser aproveitada para capturar os dados acumulados do sensor depois que a etiqueta pousar no solo. Um elemento único deste dispositivo é o uso de um conjunto de tecnologias de sensores projetadas para monitorar parâmetros fisiológicos do corpo humano, diz John Rogers, professor de bioeletrônica da Northwestern University e co-autor do white paper.
Os pesquisadores da universidade vêm construindo e testando esses biossensores na última década ou mais, incluindo pequenos dispositivos ou implantes que se adaptam ao corpo para atender às necessidades dos pacientes ou para realizar pesquisas básicas de biologia em humanos ou animais. “Temos uma variedade de dispositivos NFC”, diz Rogers, que pode encaminhar dados do sensor por meio de uma transmissão de 13,56 MHz compatível com ISO 14443. A etiqueta não apenas responde a transmissões de um leitor, como o tipo embutido na maioria dos smartphones, mas também pode também transmite seu próprio número de identificação exclusivo, juntamente com os dados do sensor que foram coletados.
Quando se trata de rastrear as condições do corpo, a etiqueta e o sensor podem ser implantados diretamente em uma pessoa ou anexados à pele. “Você não precisa se preocupar com a dispersão nesses casos – basta colocá-los onde precisar deles”, afirma Rogers. “Nosso objetivo com este trabalho mais recente foi fazer a pergunta: ‘Haveria maneiras de alavancar essa base de tecnologia e dispositivos integrados ao corpo para monitorar o estado de saúde, mas sim para monitorar processos ambientais?'” Esse foi o ponto de partida para o desenvolvimento de micro-folhetos, ele lembra.
De acordo com Rogers, as tags usadas para monitoramento ambiental precisariam ser distribuídas em escala. “Então essa era a pergunta”, diz ele, “que estávamos procurando responder: ‘Quais seriam os mecanismos de dispersão?'” Isso levou à pesquisa sobre a aerodinâmica do vôo passivo. Os pesquisadores procuraram ajuda na natureza. Eles modelaram sua pesquisa, em parte, nas asas de sementes de bordo que caem das árvores e deixam o vento levá-las para longe dos galhos. Além de simplesmente aplicar uma asa, eles usaram três, em uma configuração de helicóptero com formas tridimensionais para guiar o vôo passivo.
No centro do dispositivo está um circuito integrado. À medida que o micro-aviador cai no ar, suas asas interagem com as correntes para criar um movimento rotacional lento e estável. O peso da eletrônica é distribuído baixo no centro do micro-flier para evitar que ele perca o controle e caia em um padrão caótico. Não há bateria, mas a fonte de energia embutida do chip pode coletar energia ambiente da luz solar para armazenar os dados coletados do sensor.
Os fotodiodos geram uma fotocorrente com uma magnitude que se correlaciona com a intensidade da exposição. Essa corrente carrega o dispositivo de tal forma que a carga acumulada pode definir a tensão em um supercapacitor no chip que indica a dose de exposição e, assim, informações sobre o tamanho e a concentração de particulados no ar. Quando a etiqueta é interrogada, sua resposta produz uma coleção de voltagens acumuladas, cada uma correspondendo a doses em diferentes comprimentos de onda, diz Rogers. “Então, indiretamente”, ele afirma, “está informando sobre a densidade e o tamanho das partículas no ambiente a partir dessa informação espectral”.
Uma vez que o sensor atinge o solo, ele aguarda a transferência de dados. Uma maneira de coletar dados, diz Rogers, seria com um drone voando baixo equipado com um leitor NFC. À medida que as tags caem, o drone pode varrer uma área para ler os dados da tag, que podem ser enviados para um servidor. “Conceitualmente”, ele explica, “você está colapsando esse volume 3D de dados”, que é capturado à medida que a etiqueta desce pela atmosfera, “para uma superfície 2D que você pode digitalizar”.
Até o momento, os dispositivos micro-flier NFC foram testados em ambiente de laboratório, em um túnel de vento e não em campo. Para testar o quão bem o dispositivo poderia capturar dados de partículas, a equipe usou uma câmara de geração de poeira com bastões de incenso, velas de fumaça e amido de milho. Uma série de quatro ventiladores, colocados na parte inferior da câmara, produzia os fluxos de ar através dos quais os micro-fletores podiam deslizar.
O próximo estágio de desenvolvimento pode envolver testes ao ar livre dos dispositivos, bem como mais engenharia de asa. “Estamos trabalhando em diferentes tipos de estruturas de asas”, diz Rogers, “inspirados em diferentes tipos de sementes”. Há mais de uma maneira de voar no mundo natural, observa ele. Por exemplo, enquanto a pesquisa inicial se concentrava no movimento do tipo helicóptero durante a queda livre, “Você pode imaginar estruturas do tipo dente-de-leão, do tipo pára-quedas e outros tipos de planadores”, que são outros métodos potenciais para trazer os sensores ao solo de maneira dispersa .
NFC não é a única maneira de capturar dados do dispositivo. A equipe também explorou substâncias químicas que mudam de cor que podem ser visíveis a uma câmera montada em um drone. Amarelo, por exemplo, pode indicar que um contaminante foi detectado na alta atmosfera. “Alguns de nossos trabalhos também estão focados no desenvolvimento dessas abordagens colorimétricas”, diz Rogers. “Temos várias abordagens que estamos buscando, cada uma útil para diferentes aplicações, com possibilidades adicionais de uso combinado.” Ele acrescenta: “Acho que, em última análise, a tecnologia sem fio digital é o caminho a seguir”, por meio da tecnologia NFC, devido aos dados específicos que podem ser coletados, incluindo o ID exclusivo do sensor e os resultados exatos do sensor transmitidos.
A tecnologia pode vir em uma versão biodegradável, algo que se baseia no trabalho que a equipe fez em implantes temporários baseados em eletrônicos bioabsorvíveis. “Temos todo um conjunto de materiais que podem suportar formas sofisticadas de eletrônica”, afirma Rogers, “mas têm, como característica definidora única, a capacidade de se dissolver na água”. Nesse esforço, os pesquisadores trabalharam com uma fundição de silício comercial para construir circuitos integrados de silício biodegradável, que em princípio poderiam suportar a funcionalidade NFC.
A longo prazo, Rogers especula que os dispositivos podem monitorar uma ampla variedade de condições, incluindo padrões climáticos, derramamentos de produtos químicos e a propagação de patógenos ou doenças infecciosas. Enquanto isso, a equipe continua a estudar o fluxo de ar e os padrões de movimento que o ar pode tomar à medida que as etiquetas passam pela atmosfera superior, onde ocorre a detecção. No futuro, os pesquisadores esperam se conectar com empresas de tecnologia para realizar a próxima etapa dos desenvolvimentos.