Киберпанк, кольщик и Q-пола. Ранняя история умных татуировок

Неспокойная обстановка нашего ковидного времени (подумать только, менее одиннадцати месяцев прошло с тех пор, как я впервые вакцинировался «Спутником-V») возродила практику шуток и теорию заговоров по поводу всеобщего чипирования. А еще не так давно мы с коллегой по Хабру обсуждали технологическую наивность сюжета «Джонни-Мнемоника» – и коллега заметил, что «можно было просто флешку в виде зубного протеза ему сделать и всего делов». Такой информационный фон вновь вернул меня к идее написать статью об умных татуировках, которые могли бы использоваться в качестве как датчиков, так и информационных носителей. Это и есть самый реальный и интересный вариант массового чипирования, который я могу себе представить.

Что такое умные татуировки

С технологической точки зрения умные татуировки (их научное название – «эпидермальные электронные системы») – это персонализированные электронные схемы, присадки, проводники и микропроцессоры, которые можно наклеить на кожу или внедрить в кожные покровы. Умная татуировка является долгожданным шагом вперед в развитии носимой электроники, особенно в области медицинского применения таких датчиков. В настоящее время просматривается три основных варианта применения таких татуировок:

1. Медицинский. Простейший пример – татуировка-глюкометр, которая будет на виду у носителя (например, на запястье) и станет менять цвет в ответ на изменение уровня сахара в крови;

2. Телекоммуникационный. Татуировка, служащая пользовательским интерфейсом или миниатюрной клавиатурой (тачпадом) для удаленного управления смартфоном или менее мобильными, но более сложными устройствами – например, на опасном производстве;

3. Эстетический

Также здесь просматривается и четвертый вариант – принудительное нанесение умных татуировок для тотальной слежки. Но на эту тему я фантазировать не берусь.

Проще говоря, умные татуировки – это логичное продолжение сразу трех трендов, заключающихся в персонализации, развитии носимой электроники и здравоохранения.

 Современное поколение умных татуировок подходит только для временного внедрения на кожу, а не для постоянного ношения. В то же время, технология еще настолько пластична, что может быть адаптирована для внедрения в протезы или текстиль – и занять собственную нишу на стыке бионики и носимой электроники. Такие приборы со временем определенно стали бы дешевле и безопаснее современных микроустройств – в частности, потому что могли бы получать энергию от тела носителя.

Краткая история и технологическая характеристика татуировок

За несколько последних тысяч лет методы татуажа почти не изменились. Игла обмакивается в пигмент, после чего многократными мелкими проколами наносится под кожу для получения нужного рисунка. Крупнейший технологический прорыв в набивании татуировок можно отнести к 1891 году, когда Сэмюэл О’Рейли запатентовал первую татуировочную машину, взяв за основу идею Томаса Эдисона. На протяжении последующего века в этот аппарат вносились изменения, но функционально он почти не менялся. Просто художник смог набивать татуировку гораздо быстрее, чем вручную, а также выводить более разнообразные узоры.

Именно поэтому нанесение татуировки остается болезненным процессом, но это явно можно улучшить. Наиболее заметное технологическое усовершенствование в этой области – безыгольные инъекционные устройства, вбивающие под кожу микроскопические капли краски по принципу пистолета. Чем меньше капельки, тем безболезненнее этот процесс, и тем более сама технология располагает к работе в микро- и наномасштабе.

Человеческая кожа трехслойная: состоит из эпидермиса, дермы и подкожно-жировой клетчатки. У нас постоянно образуются новые клетки-кератиноциты, постепенно поднимающиеся на поверхность кожи, впоследствии отмирающие и отшелушивающиеся. Дерма, второй слой, состоит в основном из соединительной ткани (волокон, в частности, коллагеновых). Тут же располагаются фолликулы, потовые железы, нервы и кровеносные сосуды-капилляры. Еще ниже, в подкожно-жировой клетчатке, лежат более крупные сосуды и нервные клетки, а также крупные жировые клетки, именуемые адипоцитами.

Гранулы татуировочного пигмента откладываются как в эпидермисе, так и в дерме. В течение первых недель после нанесения татуировки эпидермальный слой пигмента в основном теряется, а большая часть пигмента внутри дермы остается на месте.

Организм воспринимает татуировку как заживающую рану, поэтому в процессе закрепления татуировки ее активно посещают макрофаги. Эти иммунные клетки распознают инородные частицы и заглатывают их, чтобы изолировать от ткани.  

Как правило, макрофаги несут свою добычу в лимфоузлы, центры обеззараживания организма. Но далеко не все макрофаги успевают до лимфоузлов добраться, поэтому концентрация татуировочного пигмента в результате деятельности макрофагов обычно снижается не более чем на 30%. Многие макрофаги так и остаются в дерме до самой гибели, и в результате захваченный ими пигмент может многократно проходить циклы захвата и высвобождения макрофагами, не отдаляясь от рисунка, а лишь слегка перераспределяясь. Поэтому в течение жизни татуировки постепенно расплываются. 

Умные татуировки. От фантастики к реальности

Соответственно, умную татуировку можно определить как татуировку, имеющую не только эстетическую, но и технологическую функцию. Сама идея не нова и уже в конце XX века циркулировала в научной фантастике. Вреди первых примеров – медиатронные татуировки, которые в 1996 году описал Нил Стивенсон в романе «Алмазный век». В книге «Наномедицина», написанной в 1999 году, Роберт Фрайтас описал кожный дисплей, состоящий из вытатуроиванных нанороботов, которые могут действовать каждый как отдельный пиксель и выводить на кожу визуальную информацию. В настоящее время уже существуют практические реализации информационных татуировок.  

Просматриваются два пути к созданию умных татуировок: синтетическая биология и нанотехнология. Первый подход предполагает инженерию на клеточном уровне (путем операций над генами), так, чтобы клетки кожи приобретали новые функции. В одном из первых исследований в этой области, которое было опубликовано в 2018 году, сообщалось о создании нового типа кожных клеток, которые начинают накапливать меланин (тем самым вызывая потемнение кожи), как только фиксируют аномальный уровень кальция в крови. У мышей, на которых испытывались такие биологические татуировки, при развитии одного из видов рака проступали пятнышки, напоминавшие веснушки. 

Нанотехнологический подход подразумевает изготовление крошечных синтетических частиц, которые затем имплантируются в кожу. 

Нанотехнология – это инженерные манипуляции с веществами в масштабе от 1 до 100 нм, тогда как частицы краски, используемые при татуировке, имеют размеры от 10 до 1000 нм – то есть, эти множества серьезно пересекаются. Если бы удалось спроектировать такие частицы, взаимодействия между которыми можно было бы наблюдать сначала в специально приготовленной среде, а затем – в межтканевой жидкости или коже, то это был бы подходящий материал для умных татуировок. 

Можно считать, что отрасль умных татуировок возникла в 2011 году, когда материаловед и биоинженер Джон Роджерс (по состоянию на 2021 год работавший в Северо-Западном университете в Чикаго), описал «эпидермальную электронную систему» в своей статье, опубликованной в журнале «Science». Он и его соавторы смогли упаковать электроды, электронику, датчики, элементы питания и телекоммуникационные компоненты в ультратонкую гибкую мембрану на кремниевой основе, закрепляющуюся в коже по тому же принципу, что и временная татуировка.

Роджерс выступил сооснователем компании MC10, Inc., занимавшейся разработкой носимой электроники для медицины, в частности, для измерения активности мозга (ЭЭГ), сердца (ЭКГ) и мышц (ЭМГ, электромиография). Поскольку татуировка – это носитель для беспроводной передачи данных, она позволяет обойтись без неудобных вспомогательных средств (клейкой ленты, проводящих гелей). Следовательно, пациенты, спортсмены и в принципе кто угодно, желающий следить за собственными биологическими показателями, может заниматься этим вне медицинского учреждения. Первый коммерческий продукт такого рода назывался BioStamp – это прибор, позволяющий врачу отслеживать состояние участника клинического исследования. Правда, прибор работает только от специальной батареи, поэтому он толще временной татуировки. Также Роджерс реализовал проект с компанией «L’Oreal», сконструировав умную татуировку, реагирующую на ультрафиолет и не требующую блока питания.

Татуировка называется «LogicInk» и содержит светочувствительный краситель, реагирующий на уровень облучения ультрафиолетом. Внешнее кольцо характеризует общий уровень облучения, накопленный носителем, а внутреннее – текущий уровень ультрафиолета.

Затем в 2016 году был выпущен «My UV Patch» в форме сердечка, содержащий фоточувствительный краситель, заметно меняющий оттенок при накоплении ультрафиолета. Для этого «прибора» также написано мобильное приложение, позволяющее сфотографировать сердечко – и посмотреть на смартфоне его интерпретацию.

Подобные решения ближе к временным татуировкам. Аналоги постоянных татуировок требуют работать не только с красителем, но и с металлом. Первый образец подобной перманентной татуировки разработала Наньсу Лю (Nanshu Lu) из Техасского университета в Остине, соавтор Роджерса. Она сконструировала графеновую татуировку, измеряющую жизненные показатели. Эта татуировка практически незаметна, если не присмотреться к ней как следует. Подобная татуировка также может использоваться в качестве украшения: стартап Rotex, созданный  Лю, предлагает золотые и титановые версии подобной татуировки, которые фактически обеспечивают пользователю доступ к дополненной реальности:

Существует разработка «Dermal Abyss», созданная под руководством Кати Веги (Katia Vega), постдока и дизайнера (по призванию), взявшейся за этот проект в лаборатории «Media Lab» Массачусетского технологического института, совместно с коллегами из Гарвардской медицинской школы. Это также перманентная татуировка, набиваемая обычной машинкой для татуажа (Вега специально освоила этот инструмент), но вместо обычной краски здесь используются биосенсоры, регистрирующие уровни натрия, глюкозы и pH в межтканевой жидкости. Татуировка предназначается для пациентов, которым нужно постоянно оставаться в курсе своих биохимических показателей.  

Все эти разработки можно отнести к первому поколению умных татуировок, и каждая из них – по-своему «proof-of-concept» (доказательство осуществимости). Под первым поколением я понимаю татуировки-датчики, которые лишь сообщают информацию – и далее информация может интерпретироваться визуально или с применением датчиков. Принципиальным шагом вперед является использование умных татуировок в качестве пользовательского интерфейса (если хотите – пульта управления).

DuoSkin и SkinMarks: подкожные тачпады

Вышеупомянутая лаборатория «Media Lab» из MIT пробует силы именно в таких исследованиях, экспериментируя с умными татуировками на основе золота и серебра. Пусть оба этих вещества и относятся к тяжелым металлам и, соответственно, проявляют нежелательную токсичность, они в то же время обладают превосходными электропроводящими свойствами и эстетической привлекательностью. Поэтому оказалось, что их очень удобно применять в умных татуировках, обеспечивающих взаимодействие с гаджетами методом связи в ближнем поле (NFC). Такие татуировки (как правило, временные) занимают интересную нишу между носимой электроникой и ювелирными украшениями.

Они могут использоваться в качестве подключаемых пользовательских интерфейсов, через которые можно не только передавать биометрические данные на смартфон, но и управлять самим смартфоном. Именно такая технология получила название «DuoSkin» (двойная кожа):

В отличие от обычных временных татуировок, DuoSkin не содержит никаких красителей, а изготавливается из тонкого золотого листа. Поскольку это проводящий материал, он служит интерактивной сенсорной поверхностью.

На приведенной здесь иллюстрации – два варианта дизайна. Татуировка «b» действует как подкожный тачпад. Вариант «a» — это татуировка-ползунок. Проводя пальцем по ней, можно, например, регулировать громкость динамика на смартфоне или компьютере. Также DuoSkin уже может использоваться для скроллинга веб-страниц и допускает встраивание LED для эстетической подсветки кожи. Такие татуировки несравнимо мобильнее любых умных часов и вполне могут обойтись пользователю дешевле статусного гаджета (в пару сотен долларов, то есть, они существенно доступнее умных часов Apple).

Такое устройство имеет четырехслойную структуру:

Кремниевое напыление (верхний слой) выполняет защитную функцию. Клейкая татуировочная бумага (нижний слой) – такая же, как и у обычной временной татуировки. Наиболее интересны сам золотой лист (второй слой снизу), обеспечивающий нужный рисунок и электропроводящие функции, а также термочувствительная краска (второй слой сверху), отвечающая за индикацию/визуализацию управления.

Принципиально более интересный подход заложен в технологии SkinMarks, разрабатываемой в Google. SkinMarks основана на допущении, что все тело может использоваться в качестве пользовательского интерфейса. По принципу изготовления эти временные татуировки похожи на DuoSkin, но разработчики также изыскивают способы наполнить их дополнительной информационной нагрузкой – а именно, учитывать их локализацию. Специальные татуировки могут изготавливаться для нанесения на запястья, впадины под ушами, локтевые сгибы и т.д. Рельеф тела с доисторических времен использовался в качестве мнемонического «ландшафта». Если нанести человеку умные татуировки на заранее выбранные участки тела, то взаимодействие с ними получится более интуитивным – такой «интерфейс» воспринимался бы не столько визуально, сколько тактильно.  Человек чувствует, где находится, например, позвонок с татуировкой-кнопкой, и машинально до него дотягивается. Работать с подобными интерфейсами можно в темноте, либо скрывая их под одеждой. На теле есть участки, обладающие естественной эластичностью – например, перепонки между пальцами; их структура благоприятствует установке тачпадов и другой гибкой электроники. Следующим шагом в разработке таких устройств могла бы быть разработка гибких дисплеев, встраиваемых, например, в ладонь.

Разумеется, сейчас на пути подобного проекта стоит много технологических ограничений. Рассмотрим их подробнее.

Печать и производство. Каждая такая татуировка является персонализированной и изготавливается индивидуально. В экспериментах, проведенных в Google, на получение работающей татуировки уходило 3 – 3,5 часа. Больше всего времени (около 2,5 часов) уходило на подготовку трафарета для татуировки. Правда, на одном трафарете можно изготовить очертания для нескольких вариантов татуировки. Сам процесс нанесения татуировки по времени сильно варьируется: на изготовление простой татуировки-датчика уходит около 5 минут, а на получение многослойной татуировки-дисплея – 30-60 минут. Правда, на данном этапе вся эта работа делается вручную, а в будущем может быть автоматизирована. Возможно, при помощи специальных настольных принтеров процесс набивания простейшей умной татуировки удастся сократить до минуты.

Подключение и питание. На этапе прототипирования выяснилось, что самым слабым звеном в схеме является соединительный слой. Дело в том, что напечатанные проводники получаются гибкими и очень тонкими, а внешние проводники, выступающие над кожей – гораздо более толстые и жесткие, в расчете на выдерживание серьезного механического воздействия. Удалось подключить татуировку к источнику питания при помощи гибкой медной ленты толщиной около 30 мкм. При этом клейкий слой наносится на всю татуировку, кроме, собственно, разъемов – так достигается надежное подключение. Входы для запитывания татуировки удобно отмечать на оборотной стороне водопроницаемой татуировочной бумаги. Эти неудобства могут быть устранены по мере дальнейшей миниатюризации технологии. На первом этапе можно было бы сделать гибкими только контроллеры, подключая их к негибким батареям. Питание с использованием тепла тела и пьезоэлектрических элементов пока остается неэффективным и может применяться только при создании простейших датчиков. Для зарядки батарей можно использовать технологии RFID/NFC, а также попробовать реализовать с их помощью передачу информации от татуировки к татуировке или от татуировки к смартфону.

Безопасность. Электролюминесцентные дисплеи используют при работе высокое напряжение, но очень слабый переменный ток. Тем не менее, клейкий слой не гарантирует достаточной изоляции, поэтому такие татуировки следует использовать с токоограничителем. Во избежание случайного удара током или раздражения кожи под металлическим слоем лучше прокладывать еще один-два изолирующих слоя толщиной примерно по 3 мкм.

Наряду с озвученными проблемами Google планирует срок годности татуировки и долговременную токсичность металла при ее использовании (в том числе, при окислении медных элементов), а также продумать защиту от непредусмотренного срабатывания татуировки – например, при случайном нажатии.

Итак, сделанный обзор позволяет составить впечатление о захватывающей индустрии умных татуировок, формирующейся на наших глазах. Интересно, каков потенциал таких татуировок не только для передачи, но и для хранения данных, а также состоится ли в обозримом будущем «Интернет татуировок» (IoT – у нас все более острый дефицит англоязычных аббревиатур). Думаю, что даже на данном этапе описанные технологии выигрывают у громоздких подкожных датчиков, а с развитием нанотехнологий и возможностей распределения вычислительных мощностей для работы с такими татуировками популярность технологии будет только расти. Допускаю, что кого-то этот пост наведет на антиутопические выводы и ассоциации, но не стесняйтесь высказывать их в комментариях.