Σήμερα, αυτόνομοι και αυτοτροφοδοτούμενοι αισθητήρες εφαρμόζονται σε διάφορους τομείς όπως το Διαδίκτυο των πραγμάτων (IoT), ο βιομηχανικός αυτοματισμός, οι έξυπνες πόλεις και η παρακολούθηση της δομικής υγείας (SHM). Σε αυτό το πλαίσιο, η ακαδημαϊκή έρευνα έχει πρωτοπορήσει βιώσιμες και κυκλικές λύσεις για να καλύψει τις απαιτήσεις ισχύος των μικροσκοπικών ηλεκτρονικών συσκευών.
Σύμφωνα με το MEMS Consulting, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Περούτζια, στην Ιταλία, πρότειναν πρόσφατα μια νέα μέθοδο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας από απόσταση των βιολογικών κυττάρων και του περιβάλλοντός τους. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια που συλλέγεται από μία και μόνο μυϊκή ίνα. Ένα βελτιστοποιημένο κύκλωμα RLC είναι ενσωματωμένο εντός της κυψέλης, όπου ο πυκνωτής χρησιμεύει τόσο ως μονάδα αποθήκευσης ενέργειας όσο και ως αισθητήρας θερμοκρασίας, αξιοποιώντας την εγγενή του θερμική ευαισθησία. Πειραματικά δεδομένα επιβεβαίωσαν ότι το ανεπτυγμένο σύστημα μπορεί να μεταδώσει ασύρματα τη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας ενέργεια που συλλέγεται από την κυτταρική μεμβράνη και λειτουργεί εντός του βιολογικά σχετικού εύρους (30 μοίρες έως 50 μοίρες). Αυτός-αυτός ο αυτοτροφοδοτούμενος αισθητήρας θερμοκρασίας έχει δυνατότητες βελτίωσης της βιοϊατρικής ανίχνευσης και της μη επεμβατικής απομακρυσμένης παρακολούθησης θερμοκρασίας. Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nano Energy με τον τίτλο "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells".
Σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές θεώρησαν ότι οι μυϊκές ίνες μπορούν να μεγιστοποιήσουν τη διαφορά δυναμικού της μεμβράνης, καθώς το δυναμικό ηρεμίας τους μπορεί να φτάσει τα -90 mV. Εξερεύνησαν τη χρήση του δυναμικού της μεμβράνης των μυϊκών ινών της σόλας για να αξιολογήσουν τη σκοπιμότητα εφαρμογής της αυτο{4}}τεχνολογίας βιοαισθητήρα. Χρησιμοποιήθηκαν προκαταρκτικές προσομοιώσεις LTspice για να σχεδιαστεί ένα ασύρματο σύστημα επικοινωνίας ικανό να μετρήσει τη βιολογική παράμετρο ενδιαφέροντος-θερμοκρασίας. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές μοντελοποίησαν και βελτιστοποίησαν ένα κύκλωμα RLC του οποίου η συχνότητα ταλάντωσης ποικίλλει ανάλογα με την κυτταρική θερμοκρασία. Αυτό επέτρεψε την κατασκευή και τη δοκιμή αισθητήρων θερμοκρασίας που τροφοδοτούνται απευθείας από τις μυϊκές ίνες του πέλματος κάτω από ποικίλες πειραματικές συνθήκες, επιτρέποντας την αξιολόγηση της συνολικής αποτελεσματικότητας και αξιοπιστίας τους.
Βιοηλεκτρική γεννήτρια και κύκλωμα συγκομιδής ενέργειας
Μέσω της πειραματικής εγκατάστασης των ερευνητών, οι παραλλαγές στον πυκνωτή C1 μπορούν να αξιοποιηθούν για να χρησιμοποιηθεί η απόσβεση συχνότητας ταλάντωσης σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Δεδομένου ότι οι σκελετικές μυϊκές ίνες υπάρχουν σε όλο το σώμα των θηλαστικών, η μέθοδος των ερευνητών επιτρέπει την εμφύτευση ενός αυτοτροφοδοτούμενου αισθητήρα θερμοκρασίας οπουδήποτε στο ανθρώπινο σώμα. Αυτό διευκολύνει την παρακολούθηση και την κατανόηση των ενδοκυτταρικών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας, οι οποίες μπορεί να έχουν σημαντικές επιπτώσεις για διάφορες βιολογικές διεργασίες-όπως ο πολλαπλασιασμός κακοήθων όγκων του μαστού-ή για την ενσωμάτωση βιολογικών-ρομπότ για στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων.
Πειραματική Ρύθμιση
Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης πειραματικές δοκιμές σε ενέργεια που παράγεται από βιολογικά κύτταρα. Απομόνωσαν τον μύα από ποντίκια και εισήγαγαν ένα ενδοκυτταρικό ηλεκτρόδιο σε μία μόνο ίνα, αποδεικνύοντας τη δυνατότητα άμεσης συλλογής ηλεκτρικής ενέργειας από την κυτταρική μεμβράνη. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, συνέλεξαν μια τάση -60 mV και 2 μJ ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία αποθηκεύτηκε σε έναν πυκνωτή 1 mF και τελικά χρησιμοποιήθηκε για να τροφοδοτήσει μια συσκευή παθητικής ανίχνευσης. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι οι σκελετικοί μύες είχαν καλύτερη απόδοση από τα ωοκύτταρα που χρησιμοποιήθηκαν σε προηγούμενες μελέτες.
Φόρτιση ενός πυκνωτή μέσω των μυϊκών ινών της πλάκας
Οι ερευνητές συνέκριναν τα πειραματικά αποτελέσματα με ένα μοντέλο κυκλώματος RLC, αποκαλύπτοντας καλή συμφωνία μεταξύ των δεδομένων μέτρησης και των θεωρητικών προβλέψεων. Ωστόσο, η χαμηλή τάση που συλλέγεται από τις ίνες μπορεί να δημιουργήσει προκλήσεις για την υλοποίηση ηλεκτρονικών διεπαφών χαμηλής- ισχύος για ασύρματη επικοινωνία. Ωστόσο, ο αυτόνομος αισθητήρας θερμοκρασίας που προτείνεται σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιεί έναν ειδικά επιλεγμένο πυκνωτή αποθήκευσης συνδεδεμένο με τη βιο{3}}γεννήτρια ενέργειας και μπορεί να επικοινωνήσει με έναν εξωτερικό δέκτη σε κοντινή απόσταση (10 mm).
Αυτός ο αισθητήρας θερμοκρασίας, αφού βαθμονομηθεί, μεταδίδει δεδομένα θερμοκρασίας σε εύρος ζώνης 160 Hz σε όλο το εύρος από τη θερμοκρασία δωματίου έως τις βιολογικά σχετικές θερμοκρασίες (30 βαθμοί έως 50 μοίρες). Η μελλοντική σμίκρυνση θα μπορούσε να επιτρέψει την ανίχνευση θερμοκρασίας υψηλότερης-συχνότητας, αλλά αυτό απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό της ενεργειακής απόδοσης του ηλεκτρονικού κυκλώματος για να ελαχιστοποιηθούν οι παρασιτικές αντιστάσεις και η περαιτέρω διασπορά ενέργειας.
Χαρακτηριστικά αισθητήρα θερμοκρασίας
Συνοπτικά, οι ερευνητές έχουν επισημάνει τη δυνατότητα των βιολογικών κυττάρων ως πηγών ενέργειας για μικρές-βιολογικές-ενσωματωμένες εφαρμογές. Αξιοποιώντας τις λειτουργίες των ζωντανών κυττάρων-ιδιαίτερα των ζωικών κυττάρων (μυϊκές ίνες)-η χημική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια, επιτρέποντας την ανάπτυξη αυτοτροφοδοτούμενων βιο-ενσωματωμένων αισθητήρων. Σε σύγκριση με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και τις τεχνολογίες συλλογής κινητικής ενέργειας, αυτή η λύση προσφέρει ξεχωριστά πλεονεκτήματα, ανοίγοντας το δρόμο για μελλοντική ενσωμάτωση βιο-ενσωματωμένων ηλεκτρονικών σε βιολογικά συστήματα. Αυτή η τεχνολογία υπόσχεται τη δημιουργία μιας κατηγορίας βιο{10}}αυτόνομων αισθητήρων ικανών να αλληλεπιδρούν άμεσα με βιολογικά κύτταρα σε ζωντανούς οργανισμούς. Περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη σε αυτόν τον τομέα θα συμβάλει στην πρόοδο των τεχνικών συλλογής ενέργειας και στην εξέλιξη των βιολογικών-ενσωματωμένων ηλεκτρονικών.