Miniaturized Laser Induced Graphene Antennas on Edible Substrates towards Ingestible Electronics
यह अध्ययन खाद्य आलू की त्वचा पर सीधे निर्मित एक लघु, मास्क रहित लेजर इंड्यूस्ड ग्राफीन (LIG) एंटीना के लिए एक प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट प्रस्तुत करता है, जो 5.8 GHz ISM बैंड के भीतर कार्यक्षमता बनाए रखता है और सिम्युलेटेड गैस्ट्रिक फ्लूइड में अनुमानित इलेक्ट्रोमैग्नेटिक व्यवहार प्रदर्शित करता है, जिससे गैर-आक्रामक अंतर्ग्रहण योग्य स्वास्थ्य निगरानी और निदान के लिए एक स्केलेबल प्लेटफॉर्म स्थापित होता है।
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कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ आपकी दवा केवल आपके पेट में घुलती ही नहीं, बल्कि वास्तव में जवाब भी देती है। यह "इन्जेस्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स" (निगलने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स) का सपना है—छोटे, निगलने योग्य गैजेट जो आपके स्वास्थ्य की जांच करने, बीमारियों का जल्दी पता लगाने या आपके पेट की स्थिति जानने के लिए आपके शरीर के अंदर झाँक सकते हैं। लेकिन इसमें एक पेंच है: आज के अधिकांश गैजेट कठोर, प्लास्टिक या धातु के हिस्सों से बने होते हैं जिन्हें शरीर पचा नहीं सकता। यदि आप उन्हें निगल लेते हैं, तो उन्हें बाद में बाहर निकालना पड़ता है, या वे बस कचरे के रूप में वहीं पड़े रहते हैं। वैज्ञानिक इसे उन चीजों से उपकरण बनाकर हल करने की कोशिश कर रहे हैं जिन्हें आप वास्तव में खा सकते हैं, जैसे कि भोजन। इन "खाद्य गैजेटों" को काम करने के लिए, उन्हें बिना तारों के संदेश भेजने के तरीके की आवश्यकता होती है। यहीं पर एंटेना काम आते हैं। एक एंटेना को रेडियो टावर की तरह समझें; यह वह हिस्सा है जो संकेतों को पकड़ता और भेजता है। सबसे बड़ी चुनौती यह पता लगाना है कि आलू के छिलके या ब्रेड के टुकड़े से एक काम करने वाला रेडियो टावर कैसे बनाया जाए जो आपके पेट के एसिड से टकराते ही टूट न जाए।
यह शोध पत्र उन शोधकर्ताओं की टीम की कहानी बताता है जिन्होंने सीधे आलू की त्वचा पर एक छोटा रेडियो एंटेना बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने गोंद, सोल्डर या जटिल कारखानों का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक जादुई पेन की तरह लेजर का उपयोग करके आलू पर सीधे एक विशेष प्रकार के "ग्राफीन" (एक अत्यंत पतली, अत्यधिक सुचालक कार्बन सामग्री) को उकेरा। वे इसे "लेजर इंड्यूस्ड ग्राफीन" (LIG) कहते हैं। लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे भोजन के एक टुकड़े को एक काम करने वाले इलेक्ट्रॉनिक घटक में बदल सकते हैं जो संकेत भेज सके, और फिर यह देख सकें कि जब आलू का छिलका कृत्रिम पेट के वातावरण में धीरे-धीरे टूटता है तो उसके संकेत का क्या होता है।
शोधकर्ताओं ने पहले यह समझने से शुरुआत की कि आलू की त्वचा को एक सुचालक (कंडक्टर) में कैसे बदला जाए। उन्होंने पाया कि आलू की त्वचा में लिग्निन नामक पदार्थ प्रचुर मात्रा में होता है, जो लेजर से टकराने पर ग्राफीन में बदलने के लिए एक आदर्श ईंधन के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, चिकनी प्लास्टिक शीट (जैसे कि फोन में उपयोग की जाने वाली शीट) के विपरीत, आलू की त्वचा ऊबड़-खाबड़ और कठिन होती है। यदि वे इसे बहुत ज़ोर से या बहुत बार दागते, तो आलू जलकर राख हो जाता। उन्हें एक "गोल्डिलॉक्स" (मध्यम मार्ग) सेटिंग ढूंढनी थी: एक ऐसा लेजर जो बिल्कुल सही केंद्रित हो, बहुत तेज़ न हो, और कुछ सावधानीपूर्वक चरणों में लगाया गया हो। इस प्रक्रिया ने ऊबड़-खाबड़ आलू की त्वचा को कार्बन की एक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी सुचालक परत में बदल दिया जो सूक्ष्मदर्शी के नीचे एक 3D जाल की तरह दिखती थी।
एक बार जब उनके पास सुचालक आलू की त्वचा आ गई, तो उन्हें एक एंटेना डिजाइन करने की आवश्यकता थी। एंटेना को आमतौर पर एक विशिष्ट रेडियो फ्रीक्वेंसी को पकड़ने के लिए एक विशिष्ट आकार की आवश्यकता होती है। टीम एक छोटा एंटेना बनाना चाहती थी—केवल 1 वर्ग सेंटीमीटर, जो एक मानक पिल कैप्सूल में फिट होने के लिए पर्याप्त छोटा हो। इस छोटे आकार को सही फ्रीक्वेंसी (5.8 GHz, जो कम दूरी के वायरलेस उपकरणों के लिए एक सामान्य बैंड है) पर काम करने के लिए, उन्हें रचनात्मक होना पड़ा। एक नुकीले, चौकोर बॉक्स के बजाय, उन्होंने एंटेना को गोल, घुमावदार किनारे दिए। उन्होंने पाया कि ये घुमाव विद्युत संकेतों के प्रवाह में मदद करते हैं और कोनों पर एंटेना के "फँसने" या ऊर्जा खोने को रोकते हैं। उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए कि आकार स्वयं काम करता है, इस डिज़ाइन का परीक्षण आलू की त्वचा और 'कैप्टन' (Kapton) नामक एक मानक प्लास्टिक शीट दोनों पर किया।
परिणाम उत्साहजनक थे। जब उन्होंने हवा में आलू के एंटेना का परीक्षण किया, तो यह पूरी तरह से काम कर रहा था, 5.8 GHz फ्रीक्वेंसी पर संकेत भेज और प्राप्त कर रहा था। लेकिन असली परीक्षण यह देखना था कि जब उन्होंने इसे एक तरल पदार्थ में डाला जो पेट के एसिड (सिम्युलेटेड गैस्ट्रिक फ्लूइड) की नकल करता है, तो क्या होता है। 24 घंटों की अवधि में, एंटेना ने केवल काम करना बंद नहीं किया; यह एक अनुमानित तरीके से बदला। जैसे-जैसे अम्लीय तरल छिद्रपूर्ण ग्राफीन में समा गया, संकेत कमजोर होता गया और संकेत की फ्रीक्वेंसी ऊपर की ओर खिसक गई। यह कोई विफलता नहीं थी; यह एक विशेषता थी। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि एंटेना एक निष्क्रिय सेंसर (पैसिव सेंसर) के रूप में कार्य कर रहा था। संकेत में बदलाव को देखकर, वे बता सकते थे कि आलू की त्वचा कितनी खराब हुई है और वातावरण किस प्रकार का था।
शोध पत्र सुझाव देता है कि इस "खाद्य एंटेना" का उपयोग मुख्य रूप से दो चीजों के लिए किया जा सकता है। पहला, यह एक संचार लिंक के रूप में कार्य कर सकता है, जो डिवाइस के बरकरार रहने तक डेटा बाहर भेजता है। दूसरा, जैसे ही डिवाइस घुलना शुरू होता है, बदलता हुआ संकेत एक "बाइनरी लॉस ऑफ सिग्नल" तंत्र के रूप में कार्य कर सकता है। इसका अर्थ यह है कि यदि संकेत अचानक गिर जाता है या एक विशिष्ट तरीके से बदल जाता है, तो एक डॉक्टर या कंप्यूटर जान सकता है कि गोली पाचन तंत्र के किस हिस्से तक पहुँची है या उसने अपना काम पूरा कर लिया है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि चूंकि ग्राफीन छिद्रपूर्ण है, इसलिए इसमें संभावित रूप से विशिष्ट बीमारियों का पता लगाने के लिए विशेष रसायनों की परत चढ़ाई जा सकती है, हालांकि उन्होंने इस अध्ययन में इसका परीक्षण नहीं किया।
अंत में, टीम ने दिखाया कि आप लेजर का उपयोग करके आलू की त्वचा को एक कार्यात्मक, वायरलेस एंटेना में बदल सकते हैं। उन्होंने साबित किया कि ये उपकरण 5.8 GHz बैंड में काम कर सकते हैं और पेट जैसे तरल पदार्थ में उनका व्यवहार सुसंगत और मापने योग्य है। हालांकि समय के साथ एसिड में संकेत कमजोर होता गया, टीम ने दिखाया कि यह क्षरण एक स्पष्ट पैटर्न का पालन करता है, जो डिवाइस को एक साधारण ट्रांसमीटर से बदलकर एक ऐसे सेंसर में बदल देता है जो शरीर की अपनी यात्रा की कहानी बताता है। यह एक नए प्रकार की औषधि के द्वार खोलता है—जो भोजन से बनी है, रेडियो की तरह काम करती है, और काम पूरा होने पर सुरक्षित रूप से गायब हो जाती है।
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