La microélectronique flexible et adaptative est considérée comme un moteur d'innovation pour de nouvelles applications biomédicales plus efficaces. Ceux-ci inclus, par exemple, le traitement des faisceaux nerveux endommagés, la douleur chronique, ou le contrôle des membres artificiels. Pour que cela fonctionne, un contact étroit entre l'électronique et le tissu neural est essentiel pour un couplage électrique et mécanique efficace. En outre, les applications potentielles découlent de la production d'outils chirurgicaux minuscules et flexibles.

Une équipe internationale dirigée par le Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, directeur de l'Institut des nanosciences intégratives de l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux (IFW) Dresde et titulaire de la chaire de professeur de matériaux pour la nanoélectronique à l'Université de technologie de Chemnitz et initiateur du Center for Materials, Architectures et Intégration de Nanomembranes (MAIN), ainsi que Boris Rivkin, un doctorat étudiant dans le groupe du Prof. Schmidt, a maintenant démontré pour la première fois que de telles microélectroniques adaptatives sont capables de se positionner de manière contrôlée, manipuler des tissus biologiques, et répondre à leur environnement en analysant les signaux des capteurs. Les résultats, avec Rivkin comme premier auteur, ont paru dans la revue Systèmes intelligents avancés . Différentes propriétés pour les processus dynamiques combinées pour la première fois en microélectronique adaptative

Jusqu'à maintenant, il n'a pas été possible pour les structures microélectroniques à la fois de détecter et de s'adapter à leur environnement. Bien qu'il existe des structures avec un capteur de contrainte qui surveillent leur propre forme, la microélectronique avec des capteurs magnétiques qui s'orientent dans l'espace, ou des dispositifs dont le mouvement peut être contrôlé par des structures polymères électroactives, une combinaison de ces propriétés pour une application dans un organisme changeant dynamique à l'échelle micrométrique, c'est-à-dire bien en dessous d'un millimètre, n'a pas été signalé jusqu'à présent. Microélectronique adaptative et intelligente

Au cœur de ces applications se trouve un film polymère, seulement 0,5 mm de large et 0,35 mm de long, qui sert de support aux composants microélectroniques. Par comparaison, une pièce de 1 cent a un diamètre d'environ 16 mm. Dans leur publication, l'équipe de l'Université de technologie de Chemnitz et du Leibniz IFW à Dresde présente désormais une microélectronique adaptative et intelligente qui utilise des muscles artificiels microscopiques pour remodeler et s'adapter à des environnements dynamiques grâce au retour de capteurs appropriés.

Les signaux des capteurs sont transmis via des connexions électriques à un microcontrôleur, où ils sont évalués et utilisés pour générer des signaux de contrôle pour les muscles artificiels. Cela permet à ces outils miniatures de s'adapter à des formes anatomiques complexes et imprévisibles. Par exemple, les faisceaux nerveux ont toujours des tailles différentes. La microélectronique adaptative peut enfermer doucement ces faisceaux nerveux pour établir une interface bioneurale appropriée.

L'intégration de capteurs de forme ou de position en combinaison avec des microactionneurs est essentielle pour cela. La microélectronique adaptative est donc fabriquée selon un « processus monolithique à l'échelle d'une plaquette ». Les 'wafers' sont des substrats plats en silicium ou en verre sur lesquels les circuits sont fabriqués. La production monolithique permet de fabriquer simultanément de nombreux composants en parallèle sur un même substrat. Cela permet une production rapide et en même temps plus rentable. Les muscles artificiels génèrent du mouvement - utilisation possible dans un environnement organique

Le mouvement et le remodelage de la microélectronique adaptative sont réalisés au moyen de muscles artificiels, les soi-disant « actionneurs ». Ceux-ci génèrent du mouvement en éjectant ou en absorbant des ions et peuvent ainsi remodeler le film polymère.

Ce procédé est basé sur l'utilisation du polymère polypyrrole (PPy). L'avantage de cette méthode est que la manipulation de la forme peut être effectuée de manière ciblée et avec une polarisation électrique déjà très faible (moins d'un volt). Le fait que les muscles artificiels soient également sans danger pour une utilisation dans des environnements organiques a déjà été démontré par d'autres groupes dans le passé. Cela impliquait de tester les performances des micromachines dans divers environnements pertinents pour les applications médicales, y compris le liquide céphalo-rachidien, du sang, plasma, et urinaires.

Vers des robots microélectroniques encore plus complexes à l'avenir

L'équipe de Dresde et Chemnitz s'attend à ce que la microélectronique adaptative et intelligente se transforme à moyen terme en microsystèmes robotiques complexes. Boris Rivkin déclare :« La prochaine étape cruciale est la transition de l'architecture auparavant plate aux micro-robots tridimensionnels. ajouter de l'électronique adaptative à ces matériaux pour développer des systèmes tels que des micro-cathéters robotiques, petits bras robotiques, et des implants neuronaux malléables qui agissent de manière semi-autonome en suivant une instruction numérique."

Dr Daniil Karnaushenko, chef de groupe dans l'équipe du Prof. Oliver Schmidt, ajoute, "De tels microrobots complexes nécessiteront un grand nombre d'actionneurs et de capteurs individuels. Loger et utiliser efficacement des composants électroniques dans une telle densité est un défi car il faut plus de connexions électriques que d'espace disponible. Cela sera résolu par des circuits électroniques complexes qui être intégrés dans la microélectronique adaptative à l'avenir pour transmettre les instructions appropriées aux bons composants."

Ces travaux contribuent également au domaine émergent de la chirurgie assistée par robot, qui pourraient permettre des procédures moins invasives mais plus précises. Des outils chirurgicaux intelligents qui génèrent des informations fiables sur leur forme et leur position pourraient devenir indispensables dans le traitement des tissus délicats.