Биоинтерфейс. Конформные IoP-интерфейсы
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 278
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN-онлайн: 978-5-16-111676-0
Артикул: 806239.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В монографии рассмотрены современное состояние и перспективы развития высокотехнологичных конформных IoP-интерфейсов, управляющих IoT-системами и HMI-устройствами. Системно представлены современные решения биометрических и тактильных IoP-интерфейсов. Рассмотрен широкий круг инновационных сенсорных, энергетических и визуализующих устройств наноэлектроники, которые могут быть использованы как имплантируемые, эпидермальные или носимые элементы в составе конформных IoP-интерфейсов. Представлены перспективные разработки и промышленно выпускаемые многофункциональные IoP-интерфейсы.
Предназначена для инженеров, научных работников и преподавателей, специализирующихся в области гибкой электроники и конформной наносенсорики, а также для студентов соответствующих специализаций.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 28.04.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- Аспирантура
- 28.06.01: Нанотехнологии и наноматериалы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Н А У Ч Н А Я М Ы С Л Ь С. Ю. ИЛЬИН В.В. ЛУЧИНИН БИОИНТЕРФЕЙС КОНФОРМНЫЕ IOP-ИНТЕРФЕЙСЫ МОНОГРАФИЯ Москва ИНФРА-М 2023
УДК 621.31(075.4) ББК 31.2 И46 ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 А в т о р ы: Ильин С.Ю., кандидат технических наук, научный сотрудник Санкт- Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина); Лучинин В.В. (1950–2023), доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) Ильин С.Ю. И46 Биоинтерфейс. Конформные IOP-интерфейсы : монография / С.Ю. Ильин, В.В. Лучинин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 278 с. — (Научная мысль). ISBN 978-5-16-111676-0 (online) В монографии рассмотрены современное состояние и перспективы развития высокотехнологичных конформных IoP- интерфейсов, управляющих IoT-системами и HMI-устройствами. Системно представлены современные решения биометрических и тактильных IoP-интерфейсов. Рассмотрен широкий круг инновационных сенсорных, энергетических и визуализующих устройств наноэлектроники, которые могут быть использованы как имплантируемые, эпидермальные или носимые элементы в составе конформных IoP-интерфейсов. Представлены перспективные разработки и промышленно выпускаемые многофункциональные IoP-интерфейсы. Предназначена для инженеров, научных работников и преподавателей, специализирующихся в области гибкой электроники и конформной наносенсорики, а также для студентов соответствующих специализаций. УДК 621.31(075.4) ББК 31.2 ISBN 978-5-16-111676-0 (online) © Ильин С.Ю., Лучинин В.В., 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................................4 ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................................................8 Глава 1. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ ......................................11 1.1. Диагностические IoP-интерфейсы ......................................................................................11 1.2. Распознающие IoP-интерфейсы ...........................................................................................34 Глава 2. ТАКТИЛЬНЫЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ ...................................................57 2.1. Управляющие IoP-интерфейсы ............................................................................................57 2.2. Тактильные HMI........................................................................................................................78 Глава 3. ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ ............................96 3.1. Аккумулирующие IoP-интерфейсы ....................................................................................96 3.2. Генерирующие IoP-интерфейсы ....................................................................................... 127 Глава 4. ВИЗУАЛИЗУЮЩИЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ .................................... 142 Глава 5. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ .............. 164 5.1. Многофункциональные биометрические IoP-интерфейсы .................................... 164 5.2. Многофункциональные тактильные IoP-интерфейсы ............................................. 183 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................. 201 Приложения. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНФОРМНОЙ НАНОЭНЕРГЕТИКИ И КОНФОРМНОЙ НАНОСЕНСОРИКИ ......... 211 1. Генерирующие наноэнергетические устройства ................................................................ 211 2. Аккумулирующие наноэнергетические устройства ......................................................... 232 3. Наносенсоры ................................................................................................................................... 237 ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ .................................................................... 242 СОКРАЩЕНИЯ ............................................................................................................. 244 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................... 254
В современном мире все более актуальны тенденции к сохранению и генерации «человеческого капитала», повышению качества жизни. Развитие этих тенденций невозможно вне рамок создания персонифицированной биотехносферы индивида, важнейшую роль в которой играют биоинтерфейсы. Как отражение этих процессов сформировалось понятие «Интернет людей» (Internet of People – IoP). Оно отражает виртуальную деятельность человека в инфокоммуникационном пространстве по управлению объектами окружающего мира с использованием биометрических данных и биофункциональных показателей для обеспечения персонализированной среды жизнедеятельности. Человек как объект Интернета людей обладает собственными биологическими идентификационными признаками, ярко выраженными когнитивными функциями, развитой мультисенсорикой и автономным энергосбережением (см. таблицу). Современные направления развития технологий Интернета людей Направление Целевая ориентация Биометрическая идентификация Идентификация личности и позиционирование индивида Биомедицинская сенсорика Контроль физиологических параметров Биокогнитивное управление Трансдермальная лекарственная терапия и нефармакологическая коррекция состояния Биокогнитивное управление Нейробиокогнитивный информационный и сенсорно-моторный интерфейсы Бионическое замещение Биомиметика, искусственные органы, биотехноинтерфейсы Биоинформационная коммуникабельность Персонализированные сетевые информационные системы, кибербезопасность Биоэнергообеспечение Автономные биоэнергорекуперирующие системы Особенности перехода от Интернета вещей IoP к Интернету людей нового поколения можно сформулировать следующим образом: • биометрическая идентификация личности (биологический адрес); • контроль местоположения биообъекта и динамики его перемещения; • анализ поведения и активности индивида; ПРЕДИСЛОВИЕ
• мониторинг биомедицинских параметров; • активные фармакологическое и нефармакологическое воздействия на человека на основании удаленного анализа его биоданных; • нейрокогнитивное управление интегрированными в одежду или размещаемыми на теле человека искусственными системами для мониторинга физиологического состояния, биомедицинской диагностики, неинвазивной и инвазивной терапии и биозамещения; • дистанционное управление окружающими и удаленными объектами посредством киберфизического интерфейса, обеспечивающего преобразование и передачу регистрируемых данных индивида в виде движений и жестов, мыслей и эмоций; • дистанционное формирование (без непосредственного участия человека) управляющих воздействий на окружающие объекты на основании виртуальных процедур анализа биоданных и мониторинга среды обитания. Базовые направления Интернета людей определяются совокупностью следующих конструкторско-технологических решений: • умная одежда – пассивный субстрат с размещенными функциональными сенсорными, процессорными, энергообеспечивающими и инфокоммуникационными модулями; • интеллектуальный текстиль – активный гетерогенный субстрат, являющийся носителем интегрируемых функциональных свойств; • искусственная электронная и фотонная кожа – эпидермальные и трансэпидермальные мультифункциональные гибридные сенсорно- корректирующие интерактивные платформы; • биоинтегрируемые импланты – идентификаторы, стимуляторы, корректоры состояния, искусственные органы. Совокупностью этих конструкторско-технологических решений определяются предметные индустриальные направления конформ- ной1 наноэлектроники для Интернета людей, среди которых следует особо выделить следующие: • мультифункциональные сенсорно-исполнительные компоненты, интегрируемые в одежду или размещаемые на теле человека для биомониторинга и коррекции состояния организма; • микроаналитические диагностические системы типа «лаборатории- на-чипе» для биомедицинского экспресс-контроля; 1 Конформность – приспосабливаемость к окружающим условиям и объектам.
• сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, конформно интегрируемые в одежду или размещаемые на теле человека для его быстрой идентификации, высокоточного позиционирования и передачи информации через персонифицированные носимые электронные средства или сторонние локальные терминалы; • биосенсорные модули (в том числе – камуфлируемые) для расширения функциональных возможностей человека, компенсации утраченных функций и когнитивного управления; • исполнительные миниатюрные конформно интегрируемые модули для бионических систем органозамещения. Сказанное выше определило тот факт, что в трилогии под общим названием «Биоинтерфейс – взгляд в будущее» рассматривается широкий круг инновационных устройств конформной наноэлектроники, которые могут эффективно использоваться в разнообразных системах Интернета людей. Книги, составляющие трилогию, написаны авторами в период 2016–2021 гг. Они задумывались как самостоятельные издания, рассматривающие современное состояние, а также перспективы развития и применения решений и устройств из отдельных областей конформной наноэлектроники. В указанный период времени были выпущены пилотные экземпляры каждой книги. Сформировавшееся к настоящему времени понимание природы и сущности биоинтерфейса позволило авторам объединить отдельно взятые книги в трилогию. В первой книге – «Биоинтерфейс. Конформная наноэнерге- тика» – рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных устройств генерации электроэнергии ( солнечные элементы, пьезонаногенераторы, трибонано- генераторы, термогенераторы, ректенны) и конформных устройств хранения электроэнергии (литий-ионные аккумуляторы и суперкон- денсаторы), а также гибридных энергетических устройств на их основе, которые можно использовать как элементы имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем. Во второй книге – «Биоинтерфейс. Конформная наносенсо- рика» – рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных физических нано- сенсоров биопараметров (сенсоры давления, сенсоры деформации, сенсоры температуры, сенсоры влажности), а также мультисенсорных
платформ на их основе, которые можно использовать как элементы имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем. В третьей книге – «Биоинтерфейс. Конформные IoP-интерфейсы» – рассмотрены современное состояние, перспективы развития и инновационные решения конформных биометрических и тактильных IoP-интерфейсов, которые можно использовать как элементы имплантируемых, эпидермальных или носимых IoP-систем. Каждая книга в отдельности и трилогия в целом иллюстрируют тот факт, что носимые, эпидермальные и имплантируемые IoP- системы конформной наноэлектроники составляют базис биоин- терфейса, определяющий качество жизни человека и, безусловно, неисчерпаемый рынок наукоемкой высокоинтеллектуальной и креативной продукции.
ВВЕДЕНИЕ Современный социум все сильнее связывает глобальными потоками информации производственную, транспортную и жилую инфраструктуры, составляющие сферу жизнедеятельности индивида [1]– [5]. Качественная особенность современного социума состоит в том, что его неотъемлемой частью стал Интернет вещей – виртуальная IoT- среда. Интенсивное развитие IoT-систем во многом трансформирует сложившиеся представления о том, каковы комфортные коммуникации индивида в этой среде. Адекватный способ «общения» с IoT-средой на ее языке обеспечивается индивидуальным IoP-интерфейсом, позволяющим адаптивно управлять объектами IoT-среды. Применительно к биоинтерфейсам справедливо известное выражение « вторая кожа». Рис. В.1. Конформный IoP-интерфейс [12]
Персонифицированный доступ, идентификация, биометрический контроль и управление – вот далеко не полный перечень функциональных возможностей, которыми должны обладать конформные IoP-интерфейсы [6]–[11], объединяющие в своем составе энергетиче- ские1, сенсорные2 информационные, коммуникационные и защитные элементы и модули (рис. B.1). Конформный IoP-интерфейс дуален, входящие в его состав на- носенсоры (рис. В.2) позволяют, с одной стороны, осуществлять мониторинг биопараметров и жизнедеятельности индивида, а с другой стороны, используя результаты этого мониторинга, управлять IoT- и HMI-объектами. Наиболее активное развитие в настоящее время получили биометрические IoP-интерфейсы и тактильные IoP-интерфейсы. Биометрические IoP-интерфейсы объединяют в себе диагностические IoP-интерфейсы и распознающие IoP-интерфейсы. Мониторинг биопараметров и двигательной активности, ориентированный, в первую очередь, на здоровый образ жизни и медицинское применение, может использоваться как биопараметрический IoP-интерфейс, который настраивает параметры комфортной среды без активного участия пользователя. В самом деле, преобразование произносимых вслух звуков и слов – это не что иное, как IoP-интерфейс распознавания речи. Мимический контроль эмоционального состояния (особенно – стресса) – это одновременно и мимический IoP-интерфейс. Мониторинг движения пальцев рук позволяет контролировать мышечную активность и вместе с тем – это IoP-интерфейс, управляющий жестами. Тактильные интерфейсы включают в себя управляющие IoP- интерфейсы и HMI. Управляющие IoP-интерфейсы – это одновременно « допуск» и «пропуск» индивида к активному управлению объектами IoT-среды. Тактильный мониторинг бионических и робототехнических HMI-систем – это их «осязание», которое подобно человеческой коже формирует «портрет» объекта, чтобы в дальнейшем запомнить, идентифицировать, обработать и использовать полученную информацию. Целью настоящей книги являлся обзор современного состояния и перспектив развития конформных IoP-интерфейсов. 1 Рассмотрены в книге «Биоинтерфейс. Книга 1: Конформная наноэнергетика». 2 Рассмотрены в книге «Биоинтерфейс. Книга 2: Конформная наносенсорика».
В первой и второй главах представлены биометрические и тактильные IoP-интерфейсы, их основные особенности и функциональные возможности (в особенности – сенсорные). В третьей и четвертой главах рассмотрены основные виды и особенности энергетических и визуализующих устройств, входящих в состав конформных IoP- интерфейсов. Пятая глава посвящена многофункциональным IoP интерфейсам. Физические основы работы основных устройств конформной наносенсорики и наноэнергетики вынесены в приложение. Рис. В.2. Наносенсорика конформных IoP-интерфейсов [13]
Глава 1. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ IoP-ИНТЕРФЕЙСЫ Биометрический «портрет» любого человека можно охарактеризовать совокупностью его физиологических данных и поведенческих особенностей. К физиологическим данным принято относить параметры сердечно-сосудистой системы, дыхательной системы, системы внутренних органов и опорно-двигательного аппарата, а также анатомические особенности организма. Поведенческие особенности включают в себя характерные для конкретного человека походку, речь, жестикуляцию и мимику. Возможности (по отдельности или в совокупности) биометрических IoP-интерфейсов – диагностика и распознавание – это не только идентификация и контроль состояния пользователя, а также его прав доступа, но и собственно IoP-управление – активное или пассивное. 1.1. Диагностические IoP-интерфейсы В настоящее время сформировались два вида диагностических интерфейсов: биопараметрические IoP-интерфейсы и IoP-интерфейсы двигательной активности. Биопараметрические IoP-интерфейсы Пьезорезистивный Srp можно использовать и как тактильную перчатку, и как сенсорную наклейку (рис. 1.1). Активным элементом прототипа1 этого устройства служит мембрана из (PAM/PAA)- гидрогеля2, изначально осажденная на подложку поверх планарных электродов. В процессе UV-обработки поверхность предварительно высушенной мембраны приобрела ребристую микроструктуру, затем верхние грани микроребер, расположенных параллельно друг другу между электродами, покрывались тонкой (Ag NWs)-пленкой. В завершение прототип коммутировался с внешними электродами и инкапсулировался3 защитной оболочкой. Сравнение с аналогом, имевшим активный планарный элемент, показало, что микрострук- турирование улучшило характеристики прототипа. В области малых 1 Прототип – первоначальное устройство базовой функциональности для анализа работы в целом. После этапа прототипирования обязательно следуют этапы разработки, реализации и тестирования конечного устройства. 2 В качестве сшивающего агента использовался MBA. 3 Инкапсуляция – размещение в оболочке, изоляция, закрытие.
Доступ онлайн
В корзину