Revision: Biosymbiotic, personalized, and digitally manufactured wireless devices for indefinite collection of high-fidelity biosignals

 , proponemos una nueva clase de tecnología de dispositivos portátiles, se alimentan de forma inalámbrica a gran distancia para facilitar la adquisición continua de bioseñales de grado clínico. Esto se logra utilizando información tridimensional (3D) capturada del individuo mediante un teléfono inteligente o obtenida de resonancia magnética (RM), tomografía computarizada (TC) o escáneres 3D para crear geometrías de dispositivos únicas que se adaptan directamente al usuario para lograr una alta fidelidad de detección con una ubicación óptima del sensor y facilitar un ajuste circunferencial óptimo para permitir una conformidad sin adhesivos de una clase de electrónica blanda que denominamos dispositivos biosimbióticos.

Los dispositivos captan energía mediante un sistema de transmisión de potencia de 915 MHz, disponible comercialmente, que transmite la energía de forma inalámbrica a los dispositivos biosimbióticos. Una característica clave del sistema es el uso de estructuras de antena impresas en 3D para permitir la transferencia de energía de campo lejano directamente sobre la piel, aislando los planos radiantes de la antena y evitando pérdidas dieléctrico 

-43). La gestión de la energía se facilita mediante electrónica de captación activa y almacenamiento de energía capacitivo para mantener el voltaje operativo en un entorno doméstico a una distancia de metros, lo que permite un funcionamiento ininterrumpido. La comunicación y la digitalización de los sensores se facilitan mediante un sistema en chip (SoC) Bluetooth de bajo consumo (BLE), que permite la integración con la infraestructura existe

Un canal impreso en 3D que sirve como receptáculo para guiar la colocación de los circuitos impresos flexibles y la electrón

C. Los dispositivos captan energía mediante un sistema de transmisión de potencia de 915 MHz, disponible comercialmente, que transmite la energía de forma inalámbrica a los dispositivos biosimbióticos. Una característica clave del sistema es el uso de estructuras de antena impresas en 3D para permitir la transferencia de energía de campo lejano directamente sobre la piel, aislando los planos radiantes de la antena y evitando pérdidas dieléctri

). La gestión de la energía se facilita mediante electrónica de captación activa y almacenamiento de energía capacitivo para mantener el voltaje operativo en un entorno doméstico a una distancia de metros, lo que permite un funcionamiento ininterrumpido. La comunicación y la digitalización de los sensores se facilitan mediante un sistema en chip (SoC) Bluetooth de bajo consumo (BLE), que permite la integración con la infraestructura exist 

. Esto crea un canal impreso en 3D que sirve como receptáculo para guiar la colocación de los circuitos impresos flexibles y la electrónica. Los circuitos se colocan manualmente en la malla, utilizando canales estructurados en 3D para guiar la colocaci  

implementacion

antena serpentina 

 

 un diseño de antena dipolo extensible con plano radiante elevado para aumentar la eficiencia a 915 MHz.  resuena a 916 MHz con una pérdida de retorno de -19,5 dB.   desplaza la frecuencia de resonancia a 885 y 864 MHz, con una pérdida de retorno de −13,67 y −6,69 dB  Se observa una disminución del rendimiento en la orientación medial-lateral debido a la flexión de la antena, que la desintoniza y provoca que el tejido absorba un campo más evanescente. ,  9 detalla una curva de potencia en función de la carga que muestra la captación de potencia pico a 35,5 mW con una carga de 555 Ω. 

e. La posición angular de la antena en relación con el transmisor (Fig. 4G, negro) muestra poca reducción en el rendimiento a 40 cm hasta un ángulo de 45°, después de lo cual la desalineación de la antena resulta en una caída brusca de la potencia de recolección. La rotación sobre el eje de balanceo de la antena, que sería indicativa del movimiento del brazo, muestra un efecto más inmediato en el rendimiento de recolección debido a la polarización vertical de la antena del transmisor del sistema de fundición de potencia

l. La potencia se transmite al dispositivo mediante un transmisor de potencia de 3 W (Powercast, TX91501B), disponible en el mercado y aprobado por la FCC. La potencia es captada por la antena dipolo serpentina y rectificada a CC mediante un rectificador de puente completo (los materiales y componentes se pueden encontrar en Materiales y Métodos). La energía captada se amortigua mediante un supercondensador que proporciona potencia estable en caso de caídas de potencia asociadas con el movimiento normal y obstrucciones de la línea de visión

 La energía recolectada es suficiente para alimentar sistemas digitales BLE que pueden operar continuamente, transmitiendo datos de sensores multimodales como mediciones de deformación, temperatura e inercia.

 disponibilidad de potencia de 25 mW a una distancia de hasta 1 m del transmisor y de la potencia recibida superior a 2 mW a 2 

El uso de múltiples transmisores o la orientación del haz puede ampliar considerablemente el alcance 

 Supercondensador con cargas crecientes. La energía se utiliza para los componentes activos de los sistemas de sensores, concretamente la unidad de medición inercial (IMU) y los amplificadores operacionales de baja potencia para sistemas de detección analógicos, así como para el SoC BLE, responsable de la agregación de datos y la comunicación BLE.

teoria

el uso de dispositivos portátiles inalámbricos y sin batería se limita a escenarios de aplicación definidos debido a los métodos de transferencia de energía que requieren proximidad al dispositivo de transmisión de energía (31, 32), lo que impide la libre movilidad del individuo o requiere un dispositivo de lectura secundario, como un teléfono inteligente.

. El funcionamiento continuo a frecuencias de muestreo moderadas (2 Hz) y la detección multimodal (IMU, deformación y termografía) se pueden mantener a distancias operativas de hasta 2 m desde un único transmisor, con posibilidad de funcionamiento continuo a más de 3 m con varios transmisores

El dispositivo puede mantener su funcionamiento de 10 a 60 s en caso de pérdida total de la potencia de captación y puede reiniciarse de forma fiable mediante el control de caídas de tensión

se utilizó la antena de chip 0201 para ahorrar espacio y, al mismo tiempo, proporcionar 6m de comunicacion 

Durante este experimento, se le indicó al sujeto que usara el dispositivo durante 48 horas con unidades de powercasting instaladas en varias habitaciones

. En el vídeo S3 se puede encontrar un video que muestra el funcionamiento del dispositivo a más de 1 m de la unidad de fundición a presión durante la actividad de trabajo habitual, con adquisición continua de datos de temperatura y deformación, que se muestran en tiempo rea

La integración de pequeñas baterías que se recargan cerca de la máquina de fundición (0,5 a 1 m), 

dependencia del suministro de batería durante la actividad fuera de la infraestructura de fundición y una robusta recolección de energía durante los períodos estacionarios

Circuito

.El laminado de cobre de doble cara Pyralux (AG185010RY; capas constituyentes: 18 µm de cobre, 50 µm de poliimida y 18 µm de cobre) sirvió como sustrato para la fabricación electrónica. Las trazas de cobre, las vías y los contornos de la placa se estructuraron mediante un sistema de ablación láser UV (LPKF, ProtoLaser U4). Tras la estructuración, los dispositivos se sometieron a una limpieza ultrasónica (Vevor, limpiador ultrasónico comercial de 2 l) durante 2 min en flexo (Superior Flux and Manufacturing Company, Superior n.º 71) y 1 min en alcohol isopropílico (MG Chemicals), con un enjuague posterior en agua desionizada para eliminar la oxidación y los residuos orgánicos del proceso de ablación. Las conexiones de las vías se crearon manualmente con un cable de cobre fino (100 µm) y pasta de soldadura de baja temperatura (Chip Quik, TS391LT). Los componentes disponibles comercialmente se colocaron a mano y se fundieron con pasta de soldadura de baja temperatura.

Diseño, sintonización y fabricación de circuitos

Se sintonizó una antena dipolar de serpentina a 915 MHz sobre la piel utilizando un analizador de espectro (SIGLENT, SSA 3032X) y un puente de reflexión (SIGLENT, RB3X20). La forma de serpentina se colocó en la región proximal del antebrazo y cada polo del dipolo se cortó consecutivamente hasta que las mediciones de la relación de ondas estacionarias de voltaje mostraron resonancia a 915 MHz. Los componentes disponibles comercialmente se colocaron manualmente y se refluyeron con pasta de soldadura de baja temperatura.

Se construyó un rectificador de puente completo utilizando componentes 0201 para diodos Schottky de baja tensión directa (Skyworks, SMS7630-061) y un condensador de suavizado. Se utilizó un diodo Zener de 3,3 V (Comchip Technology, CZRZ3V3B-HF) como protección contra sobretensiones del sistema de almacenamiento de supercondensadores (Seiko Instruments, CPH3225A). Un regulador de baja caída de tensión (LDO) de 1,8 V estabilizó la tensión de entrada en el SoC BLE (Dialog Semiconductor, DA14585) y otros sensores electrónicos periféricos. El SoC BLE controló la alimentación de los periféricos electrónicos, gestionó la agregación de datos de los convertidores analógico-digitales (ADC) y los componentes digitales conectados al sistema de bus i2c, y ejecutó los protocolos de comunicación BLE. El SoC BLE se programó utilizando SmartSnippet Studio de Dialog con pestañas de programación insertadas en un conector de circuito impreso flexible. Una vez completada la programación, las pestañas se retiraron con un cortador al ras (KAHIOE, KAHIOE-plier-01). Los circuitos de galgas extensométricas se construyeron utilizando un puente de Wheatstone balanceado con la resistencia de la galga extensométrica impresa en 3D. Se utilizó un amplificador operacional (Analog Devices, ADA4505-1) en una configuración de amplificador diferencial para amplificar el cambio de resistencia en la galga, que posteriormente fue digitalizado por el ADC integrado del SoC BLE. Los circuitos de detección de temperatura utilizaron un termistor de coeficiente de temperatura negativo de 100 kΩ en una configuración de puente de Wheatstone y un amplificador diferencial para generar lecturas analógicas de temperatura, que posteriormente fueron digitalizadas por el ADC integrado. Se configuró una IMU (Bosch Sensortec, BMI 270) utilizando un bus de comunicación i2c con resistencias pull-up 0201 de 3,3 kΩ. Los datos se comunicaron mediante el protocolo BLE a 2,45 GHz mediante una antena de chip externa (YAGEO, ANT1608LL14R2400A).

. Los extremos de la antena serpentina se cortaron por igual en ambos lados hasta que la resonancia alcanzó los n 915 MHz

1. Fundamentos de Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT)

• Definición de transferencia de energía inalámbrica (WPT).

• Principios de funcionamiento de la WPT: Inducción magnética, resonancia magnética, acoplamiento capacitivo.

• Potencia transmitida y su relación con la distancia.

• Factores que afectan la eficiencia de la transferencia de energía inalámbrica (pérdidas, interferencias, etc.).

2. Distancia y Potencia en WPT

• Relación entre potencia transmitida y distancia.

• Efectos de la frecuencia sobre la distancia de alcance de la WPT.

• Casos de estudio: Alcance de transferencia de energía para diferentes frecuencias (0.1 Hz y 2 Hz).

• Aplicaciones de WPT en módulos rotatorios alimentados de manera inalámbrica.

3. Consumo de Corriente y Tiempo de Operación en Sistemas WPT

• Cálculo de consumo de corriente para dispositivos alimentados inalámbricamente.

• Análisis de la eficiencia energética en la transferencia de energía inalámbrica.

• Estimación del tiempo de operación para dispositivos con batería CR2032.

• Comparación de corrientes a diferentes frecuencias (0.1 Hz y 2 Hz).

4. Comunicaciones Inalámbricas en Sistemas WPT

• Conceptos básicos de comunicación inalámbrica: RSSI (Received Signal Strength Indicator) y su implicación en la calidad de la señal.

• Pruebas de comunicación: Resultados de RSSI entre -54 dBi y -73 dBi.

• Comunicaciones BLE (Bluetooth Low Energy) en entornos complejos, como a través de paredes de vidrio blindado.

• Desafíos y soluciones en la comunicación de dispositivos a larga distancia en WPT.

5. Componentes Esenciales en Sistemas WPT

1. Materiales:

   • Pyralux double-sided copper clad laminate (AG185010RY)

   • Polyimide (50 μm)

   • Copper traces (18 μm)

   • UV laser ablation system (LPKF ProtoLaser U4)

   • Isopropyl alcohol (MG Chemicals)

   • Flex (Superior Flux and Manufacturing Company)

   • Copper wire (100 μm)

   • Low-temperature solder paste (Chip Quik, TS391LT)

   • Wheatstone bridge components

   • Low-forward voltage Schottky diodes (Skyworks, SMS7630-061)

   • Zener diodes (Comchip Technology, CZRZ3V3B-HF)

   • Supercapacitors (Seiko Instruments, CPH3225A)

   • LDO regulator (ON Semiconductor, NCP163AFCS180T2G)

   • BLE SoC (Dialog Semiconductor, DA14585)

   • IMU (Bosch Sensortec, BMI 270)

   • 3D printed TPU filament (NinjaTek, NinjaFlex)

   • UV-curable glue (Damn Good, 20910DGFL)

   • Conductive TPU filament (NinjaTek, Eel)

   • Marine epoxy (Loctite, 1919324)

   • Silicone tubing (Uxcell, A16092700UX0349)

   • AmeriColor dye (Royal Blue)

   • Marine epoxy (Loctite, 1919324)

2. Técnicas:

• Ultrasonic cleaning (Vevor, commercial ultrasonic cleaner 2L)

• Photogrammetry (Autodesk ReCap Photo)

• 3D scanning (Microsoft Xbox Kinect)

• Finite element analysis (Ansys Mechanical)

• Fusion deposition modeling (FDM) printing (Creality CR-10s, Prusa3D PrusaSlicer)

• Laser structuring for flexible PCBs

• Soldering with low-temperature paste

• Temperature and strain gauge characterization using a source measurement unit (Keithly, 2450 SourceMeter)

• Power transmission and harvesting measurement using power transmitters (Powercast, TX91501B)

La potencia se transmitió al dispositivo mediante uno o ambos transmisores de 915 MHz y 3 W de potencia disponibles comercialmente (Powercast, TX91501B y TX91503)

El dipolo serpentino con rectificador de puente completo integrado se colocó en la porción proximal del antebrazo en una sala de consulta (véase la fig. S5). La unidad de fundición de potencia se colocó sobre una mesa de madera para simular una configuración diaria convencional. Con una carga de 1 kΩ y un multímetro (AstroAI, DT132A), se midió la salida de voltaje a diferentes distancias y ángulos del transmisor, así como en diferentes posiciones de rotación a lo largo de los ejes principales. 

• Current consumption measurement with a custom current meter

• Epifluidics fabrication using 3D printing with TPU filament and dye injectio

6. Energía Harvesting (EH) en Sistemas Inalámbricos

• Definición y principios de la energía harvesting (EH).

• Comparación entre WPT y EH: Aplicaciones y limitaciones.

• Componentes clave en un sistema de harvesting: Rectificadores, convertidores de energía, y almacenamiento.

El sistema de gestión de energía del supercondensador constaba de dos supercondensadores (Seiko Instruments, CPH3225A) en paralelo protegidos por un diodo Zener de 3,3 V (ON Semiconductor, MM3Z3VB), que alimentaban un regulador LDO de 1,8 V (ON Semiconductor, NCP163AFCS180T2G). 

• Aplicaciones de EH en dispositivos IoT, sensores y sistemas autónomos.

7. Optimización de Sistemas WPT y EH

• Estrategias de optimización en la transferencia de energía inalámbrica.

La gestión de energía se caracterizó por la carga del banco de supercondensadores a 3,3 V mediante una antena dipolo ubicada a 50 cm del transmisor, midiendo simultáneamente la corriente de entrada al dispositivo con un amperímetro personalizado y el potencial de los supercondensadores con un multímetro. Una vez cargada completamente, se desconectó el sistema de antena y se añadieron diversas cargas a la salida del regulador LDO. Se investigó la protección contra caídas de tensión utilizando dos fuentes de alimentación de sobremesa: una conectada a la entrada LDO y la otra al pin de habilitación LDO. Un osciloscopio midió la salida del regulador LDO a lo largo del tiempo para identificar la tensión de habilitación adecuada y la histéresis de encendido/apagado correspondiente de 0,76 y 0,72 V, respectivamente. Posteriormente, se utilizó un divisor de tensión (500 y 275 kΩ) para proporcionar una protección constante del sistema contra caídas de tensión, apagándose a una tensión de supercondensador de 2 V (adaptándose a la tensión de caída) y encendiéndose a una entrada de 2,2 V.

• Técnicas de maximización de eficiencia en sistemas EH.

• Impacto de la variabilidad del entorno sobre los sistemas de WPT y EH.

8. Aplicaciones y Futuro de WPT y EH

• Aplicaciones actuales de WPT: Dispositivos portátiles, vehículos eléctricos, y dispositivos de IoT.

• Tendencias futuras en WPT y EH: Mejora de la eficiencia y aumento de alcance.

• Integración de WPT y EH en redes inteligentes y ciudades conectadas.

El experimento se realizó en el domicilio del sujeto, quien recibió dos transmisores de potencia (Powercast, TX91501B y TX91503) para que los colocara a 1 m de distancia del usuario en todo momento. Estos transmisores emitían polarizaciones lineales de 0° y 90° de la forma de onda de 915 MHz para maximizar la transmisión de potencia, independientemente de la orientación del dispositivo. Se le indicó al sujeto que realizara sus actividades diarias con el dispositivo puesto y que moviera los transmisores a las habitaciones donde se encontraba. Los datos se recopilaron y registraron en un archivo .csv mediante una Raspberry Pi con batería recargable (Adafruit, 1566) y.