BİLİM KURGUDAN GERÇEĞE: GİYİLEBİLİR ELEKTRONİKLER

BİLİM KURGUDAN GERÇEĞE: GİYİLEBİLİR ELEKTRONİKLER

Kullanıcıya; karar verme yetisi, fiziksel duyular ve iletişim gibi alanlarda kapasite arttırıcı olarak asistanlık eden ve yetenek kazanımı sağlayan, vücuda entegre edilebilen elektronik ekipmanlar “giyilebilir elektronik” olarak tanımlanmaktadır. Metallerden başlayarak esnek elektronik uygulamalarında malzeme biliminin katkısı çok büyüktür. Fiber, 2 boyutlu (2B), piezoelektrik ve iletken polimerler gibi malzemeler, giyilebilir elektronik malzemeleri olarak kullanılmakta ve birçok uygulama için bu malzemelerin adaptasyon çalışmaları sürdürülmektedir. İlgili malzemeler ile geliştirilen elektronik cihazlar askeri, kişisel elektronik, sağlık ve enerji alanlarında kullanılmaktadır.

On üçüncü yüzyılda üretilen ilk gözlükler ve on altıncı yüzyılda ilk cep saatinin yapılmasıyla başlayan giyilebilir teknolojinin asıl hikâyesi, SONY firmasının 1955’te ürettiği TR-55 transistör radyosu ile başlamıştır. Taşınması kolay, küçük bir cihaz üretme fikri bilim dünyasını o kadar derin etkilemiştir ki kendisinden daha sonra gelen iPod ve Game Boy gibi cihazların da tasarımı TR-55 temel alınarak geliştirilmiştir. Bu teknolojinin potansiyelini keşfeden mucitler kendi ürünlerini geliştirmeye başlamıştır. 1979’da Walkman piyasaya ilk çıkışını yaptığında müzik dünyasında bir devrim olarak nitelendirilmiş, 200 milyondan fazla satarak 80’lere damgasını vurmuştur. 1987’de ilk işitme cihazları üretildiğinde giyilebilir teknolojinin sağlık sektöründeki potansiyelini insanlar fark etmeye başlamıştır. 80’li yıllarda mikroçip üretimi hızla artınca giyilebilir bilgisayarların babası da denilen Steve Mann, görüntü kaydederken görüntüleri göze de yansıtabilen EyeTap cihazını geliştirmeyi başarmıştır. EyeTap günümüzdeki Google Glass gibi ürünlerin ilk atası sayılmaktadır.

Giyilebilir elektronik cihazlar; koruyucu tıp, hastalık teşhisi, rehabilitasyon tedavisi için çok önemli olan insan fizyolojik bilgilerinin ölçülmesi, nicelleştirilmesi ve günlük sağlık değerlendirmesi konularında önemli ölçüde ilgi odağı haline gelmiştir. Genç veya yaşlı fark etmeksizin bireyler, kişisel sağlık durumlarına daha fazla ilgi göstermekte ve bu da çeşitli tıbbi izleme cihazlarına yönelik büyük taleple sonuçlanmaktadır. Bununla birlikte geleneksel ürünler çoğunlukla deri bağlantısı için zayıf biyolojik uyumluluk veya sert altlık özellik gösteren organik ve silikon malzemelere dayalı olarak üretilmektedir. Günümüzdeki çalışmalarda birçok araştırmacı konsantrasyonlarını yüksek esnekliğe, hafifliğe, yüksek performansa ve çok işlevli giyilebilir elektroniklere; dolayısıyla bu özelliklere imkân sağlayacak malzemelerin geliştirilmesine odaklamaktadır. Bu özellikler, elektromiyografi (EMG), elektrokardiyografi (EKG), elektrookülografi (EOG) ve elektroensefalografi (EEG), mekanik sinyaller dahil olmak üzere çeşitli elektrogramların kesin olarak tespit edilmesini sağlayabilmekte ve insan sıvılarında üretilen biyosinyaller, yaşamsal belirtiler ve aktiviteler için etkili göstergeler olabilmektedir.

Son yıllarda tekstil bazlı, dövme, yama veya kontak lens gibi sensör yapılarına olan ilgi hızla artmaktadır. Bu alanda ticari ürünler literatür araştırmaları ile çeşitlenmekte, akademide geliştirilen konseptler büyük umutlar vadetmektedir. Prof. Dr. Sheng Xu liderliğindeki ekip tarafından California San Diego Üniversitesi’nde geliştirilen cilt yaması, kullanıcısının vücuduna ultrason darbeleri göndererek çeşitli sinyaller toplamaktadır. Eko frekansının kan hücrelerinin akış hızından nasıl etkilendiği analiz edilerek, kullanıcının kan basıncını ve kalp fonksiyonlarını sürekli, gerçek zamanlı olarak izlemek bu yama ile mümkün olmaktadır. Bu bilgiler kardiyovasküler problemlerin oluşmaya başlayıp başlamadığını belirlemek için kullanılmakta ve erken uyarı sistemi oluşturulmaktadır. Yama esnek giyilebilir bir polimer tabakasından oluşmakta ve 12 mm x 12 mm boyutunda ultrason dönüştürücüsü içermektedir. Çalışması için bilgisayar ve güç kaynağı gerektiren, erken uyarı sistemi olarak kullanılan bu tasarımın, ileride kablosuz olarak çalıştırılmasının planlandığı açıklanmıştır. Bu açıdan, güç kaynağı ve kablolu bir bağlantı içermeyecek bir sistemin tasarlanmasının kullanıcılara büyük kolaylık sağlaması beklenmektedir.

Grafenin keşfedildiği 2004 yılından bugüne kadar 2 boyutlu (2B) malzemelerin kullanımı birçok sektörde hızla artmıştır. Sensör yapılarında, dövme veya yama tipi elektrot tasarımlarında, antenlerde ve nanokompozit yapıların geliştirilmesinde bu malzemeler kullanılabilmektedir. Atomik kalınlıkları sayesinde 2B malzemeler yüksek şeffaflık, esneklik, biyouyumluluk ve yüksek seçicilik gibi olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikler göstermektedir. Elektromekanik özellikleri; elektrogram, yaşamsal belirtiler ve aktivitelerin tespiti için 2B malzemeleri uygun adaylar haline getirmektedir. Bu avantajlar, enerji, çevre ve biyoloji açısından uygulamalarını geniş ölçüde artırmaktadır. Örneğin grafen, lityum iyon pillerin tersine çevrilebilir kapasitesini ve döngüsel performansını artırabilmekte, molibden disüllfit (MoS₂) ise yüksek hassasiyette amonyak (NH₃) tespiti için kullanılabilmektedir. 2B malzemeler giyilebilir elektronik ürünlerin ve tasarımların geliştirilmesinde, çeşitli insan fizyolojik sinyallerinin tespiti ve izlenmesinde umut verici bir potansiyel sergilemekte ve bu da yüksek performanslı giyilebilir elektronik cihazlar için çok sayıda araştırmanın yapılmasını teşvik etmektedir.

İnsan görüşünü düzenlemek ve geliştirmek fikri, 1508 yılına kadar uzanmakta ve Leonardo Da Vinci’nin bu konuda çalışmaları olduğu bilinmektedir. İlk tasarımdan günümüze, 2014 yılında Google ve Novartis iş birliği ile geliştirilen, kontak lens ile gözyaşı sıvısından glukoz tespiti ve sürekli takibi hedeflenmiş, araştırmalar bu konuda yoğunlaştırılmıştır. Bir kamera ile donatılmış lens fikri ile kullanıcının kendi görüş alanını yansıtabilen bir tasarım, Samsung ve Sony gibi diğer pazar liderleri tarafından da araştırılmaktadır. Hong ve arkadaşları bu çalışmaya benzer olarak İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nde (ETH Zürich), grafeni yumuşak bir kontak lens altlığı üzerinde çok işlevli bir film malzemesi olarak kullanarak grafen bazlı akıllı kontak lens geliştirmiştir. İnce devre yapısına sahip, gelişmiş elektriksel özellikler, mekanik kararlılık ve şeffaflık elde etmeyi amaçlamışlardır. İlerleyen yıllarda bu tasarımın farklı uygulamalar ve farklı bakış açılarıyla insan görüşü özelliklerini etkileyeceği ve Da Vinci’nin yaklaşık altı yüz yıl önce belki de hayalini kurduğu şeylerin gerçek olacağı, çok yüksek bir ihtimal olarak değerlendirilmektedir.

Nanoteknolojinin son on yılda hızla gelişmesi, elektronik cihazların minyatürleşme sürecini hızlandırmıştır. Artık, tipik olarak ellinin üzerinde bir en-boy oranına ve ∼1 ile 50 mikron aralığında bir kalınlık/çapa sahip olan bir fiberin yüzeyinde veya içinde elektronik işlevler oluşturmak bilimsel olarak kanıtlanmış ve teknik olarak mümkün bir yöntemdir. İyi kurulmuş ve uygun maliyetli tekstil üretim süreçleri sayesinde bu lifler ayrıca bir, iki ve üç boyutlu lif düzeneklerine de dönüştürülmektedir. Son yıllarda yaşanan bu gelişmeler ile birlikte, elektronik veya fotonik işlevselliğe sahip lifler veya lif düzenekleri, farklı esnek elektronik uygulamalar için ideal adaylar olarak nitelendirilmektedir. Fiber bazlı esnek elektrotlar, esnek devreler, bilgisayarlar/ işlemciler, deri tipi basınç sensörleri, radyo frekansı tanımlama etiketleri insan vücuduna entegre edilebilen farklı tür cihazlar için sıklıkla kullanılmaktadır. Ayrıca iletken polimerler; esnek yapıları, biyouyumlulukları, elektriksel ve optik özellikleri ile fiberler ile birlikte veya ayrı olarak matris malzemesi olarak kullanılabilmektedir. Polianilin (PANI), polipirol (PP), polidimetilsiloksan (PDMS) ve poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) polimerleri bu uygulamalar için ön plana çıkmaktadır. Bu polimerler karbon, karbon nanotüp, metal tozları ve alaşımları ile katkılanarak, elektriksel ve mekanik özellikleri geliştirilmektedir. Polimerik malzemelerin kullanıldığı geniş alanlı tekstil yüzeyleri, elektronik sistemler entegre edebilmeye olanak sağlamakta ve mekanik stabiliteleri fiberler ile desteklenmektedir.

Malzeme biliminin sunduğu imkânlar ve sensör teknolojileri ile Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) yürütülen bir çalışmada polidimetilsiloksan (PDMS), poliimit (PI) ve altın (Au) yapıları kullanarak elektronik deri geliştirilmiştir. Yapılan çalışmada ter birikmesinin sensörde gürültü oluşturmasının önüne geçilmek istenmiş, gerçek deri taklit edilerek hava ve nem geçirgenliği, gözenek genişliği 100 mikron seviyesinde optimize edilerek sağlanmıştır. Simülasyonlar yardımı ile gözenek dağılımı ve performansını test eden bilim insanları sıcaklık, nem, ultraviyole (UV) maruziyeti ve nabız takibi için sensör dizininin etkili bir biçimde çalıştığını kanıtlamışlardır. Geliştirilen sensör yapısı ile fiziksel aktivite ve yeme-içme sırasında ölçümler alınmış, sonuçların tutarlı olduğu görülmüştür. İlgi çekici ve etkileyici bir tasarıma sahip sistemin büyük bir potansiyele sahip olduğu, günlük hayatta kullanılmasının nasıl bir etkiye sahip olacağı düşünülmesi gereken konular arasındadır.

Bilim ve teknoloji dünyasında birçok sektörde ihtiyaç duyulan, kullanılmaları ile birlikte büyük kolaylıklar sağlayan giyilebilir elektronik cihazlar için geliştirilen/sentezlenen malzeme çok önemlidir. Yukarıda verilen örneklerden anlaşılacağı üzere, çeşitli malzeme grupları farklı özellikleri ile bu uygulamalarda ön plana çıkmaktadır. Sivil kullanımda sağlık takibi, navigasyon, görüş iyileştirme; askeri alanda anten, duygu durum kontrolü, erken uyarı sistemleri gibi uygulamaları bulunan giyilebilir elektronikler, akademik ve endüstriyel anlamda dikkat çekmektedir. Esnek yapıların tekstil veya deri üzerinde kullanılabilmesi, birçok sektörde, farklı amaçlar için uygulama alanının bulunması günümüzde olduğu gibi gelecekte de giyilebilir elektronik uygulamalarına olan ilginin devam edeceğini göstermektedir. Bu anlamda yapılacak malzeme ve uygulama tabanlı çalışmaların gelecek yıllarda hızla ivmeleneceği öngörülmektedir.