Obecnie autonomiczne i{0}}samozasilające się czujniki są stosowane w różnych dziedzinach, takich jak Internet rzeczy (IoT), automatyka przemysłowa, inteligentne miasta i monitorowanie stanu strukturalnego (SHM). W tym kontekście badania akademickie zaowocowały pionierskimi zrównoważonymi rozwiązaniami o obiegu zamkniętym, które spełniają wymagania energetyczne miniaturowych urządzeń elektronicznych.
Według MEMS Consulting naukowcy z Uniwersytetu w Perugii we Włoszech zaproponowali niedawno nowatorską metodę zdalnego pomiaru temperatury komórek biologicznych i ich otoczenia. Podejście to wykorzystuje energię elektryczną zebraną z pojedynczego włókna mięśniowego flądry. W ogniwie wbudowany jest zoptymalizowany obwód RLC, w którym kondensator służy zarówno jako moduł magazynowania energii, jak i czujnik temperatury, wykorzystując jego naturalną wrażliwość termiczną. Dane eksperymentalne potwierdziły, że opracowany system może bezprzewodowo przesyłać temperaturę, wykorzystując energię pozyskaną z błony komórkowej i działa w biologicznie istotnym zakresie (30–50 stopni). Ten-samozasilający czujnik temperatury może potencjalnie ulepszyć wykrywanie biomedyczne i nie-inwazyjne zdalne monitorowanie temperatury. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nano Energy pod tytułem „-Samodzielnie zasilane czujniki temperatury wykorzystujące potencjał membranowy żywych komórek”.
W tej pracy naukowcy wzięli pod uwagę, że włókna mięśniowe mogą maksymalizować różnicę potencjałów błonowych, ponieważ ich potencjał spoczynkowy może osiągnąć -90 mV. Zbadali wykorzystanie potencjału błonowego włókien mięśniowych podeszwy, aby ocenić wykonalność wdrożenia technologii biosensorów-z własnym zasilaniem. Wstępne symulacje LTspice wykorzystano do zaprojektowania systemu komunikacji bezprzewodowej zdolnego do pomiaru biologicznego parametru temperatury. W tym celu badacze zamodelowali i zoptymalizowali obwód RLC, którego częstotliwość oscylacji zmienia się w zależności od temperatury komórki. Umożliwiło to wyprodukowanie i przetestowanie czujników temperatury zasilanych bezpośrednio przez włókna mięśniowe podeszwy w różnych warunkach eksperymentalnych, co umożliwiło ocenę ich ogólnej wydajności i niezawodności.
Generator bioelektryczny i obwód gromadzenia energii
Dzięki układowi eksperymentalnemu badaczy można wykorzystać zmiany w kondensatorze C1 w celu wykorzystania tłumionej częstotliwości oscylacji w różnych temperaturach. Ponieważ włókna mięśni szkieletowych są obecne w całym organizmie ssaka, metoda badaczy umożliwia wszczepienie-samozasilanego czujnika temperatury w dowolne miejsce ciała człowieka. Ułatwia to monitorowanie i zrozumienie wewnątrzkomórkowych wahań temperatury, które mogą mieć istotne konsekwencje dla różnych procesów biologicznych,-takich jak proliferacja złośliwych guzów piersi-lub integracja bio-robotów w celu ukierunkowanego dostarczania leków.
Konfiguracja eksperymentalna
Naukowcy przeprowadzili także testy eksperymentalne energii wytwarzanej przez komórki biologiczne. Wyizolowali mięsień flądry od myszy i wprowadzili elektrodę wewnątrzkomórkową do pojedynczego włókna, wykazując możliwość bezpośredniego pozyskiwania energii elektrycznej z błony komórkowej. Podczas testów zebrali napięcie -60 mV i 2 µJ energii elektrycznej, która została zmagazynowana w kondensatorze o pojemności 1 mF i ostatecznie wykorzystana do zasilania pasywnego urządzenia czujnikowego. Naukowcy wykazali, że mięśnie szkieletowe działały nawet lepiej niż oocyty użyte w poprzednich badaniach.
Ładowanie kondensatora za pomocą włókien mięśniowych flądry
Naukowcy porównali wyniki eksperymentów z modelem obwodu RLC, wykazując dobrą zgodność między zmierzonymi danymi a przewidywaniami teoretycznymi. Jednak niskie napięcie pobierane ze światłowodów może stanowić wyzwanie przy wdrażaniu interfejsów elektronicznych o małej-mocy do komunikacji bezprzewodowej. Niemniej jednak autonomiczny czujnik temperatury zaproponowany w tym badaniu wykorzystuje specjalnie dobrany kondensator podłączony do generatora-bioenergii i może komunikować się z zewnętrznym odbiornikiem z bliskiej odległości (10 mm).
Ten czujnik temperatury, po skalibrowaniu, przesyła dane dotyczące temperatury w paśmie 160 Hz w całym zakresie od temperatury pokojowej do temperatur istotnych biologicznie (30 stopni do 50 stopni). Przyszła miniaturyzacja mogłaby umożliwić wykrywanie temperatury-z wyższą częstotliwością, ale wymaga to starannego zaprojektowania efektywności energetycznej obwodu elektronicznego, aby zminimalizować rezystancję pasożytniczą i dalsze rozpraszanie energii.
Charakterystyka czujnika temperatury
Podsumowując, badacze podkreślili potencjał komórek biologicznych jako źródeł energii w zastosowaniach biologicznych-na małą skalę-osadzonych. Wykorzystując funkcje żywych komórek,-zwłaszcza komórek zwierzęcych (włókien mięśniowych),-energię chemiczną można przekształcić w energię elektryczną, co umożliwia rozwój wbudowanych czujników biologicznych-z własnym zasilaniem. W porównaniu z akumulatorami i technologiami pozyskiwania energii kinetycznej rozwiązanie to oferuje wyraźne korzyści, torując drogę do przyszłej integracji bio-elektroniki wbudowanej w systemy biologiczne. Technologia ta jest obiecująca w kontekście stworzenia klasy bio-czujników autonomicznych zdolnych do bezpośredniej interakcji z komórkami biologicznymi w żywych organizmach. Dalsze badania i rozwój w tej dziedzinie przyczynią się do postępu w technikach pozyskiwania energii i ewolucji bio-elektroniki wbudowanej.