Manapság az autonóm és{0}}autonóm érzékelőket számos területen alkalmazzák, mint például a dolgok internete (IoT), az ipari automatizálás, az intelligens városok és a szerkezeti állapotfigyelés (SHM). Ennek keretében az akadémiai kutatások úttörő szerepet játszottak a fenntartható és körkörös megoldások kidolgozásában a miniatűr elektronikus eszközök energiaigényének kielégítésére.
A MEMS Consulting szerint az olaszországi Perugia Egyetem kutatói a közelmúltban új módszert javasoltak biológiai sejtek és környezetük hőmérsékletének távoli mérésére. Ez a megközelítés egyetlen lepényhal izomrostjából nyert elektromos energiát használ fel. Egy optimalizált RLC áramkör van beágyazva a cellába, ahol a kondenzátor energiatároló egységként és hőmérséklet-érzékelőként is szolgál, kihasználva a benne rejlő hőérzékenységet. A kísérleti adatok megerősítették, hogy a kifejlesztett rendszer vezeték nélkül képes hőmérsékletet továbbítani a sejtmembránból kinyert energia felhasználásával, és a biológiailag releváns tartományban (30-50 fok) működik. Ez az ön-hőmérséklet-érzékelő lehetőséget rejt magában az orvosbiológiai érzékelés és a nem-invazív távoli hőmérséklet-monitoring javítására. A kutatási eredményeket a Nano Energy folyóiratban tették közzé "Self{9}}Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells" címmel.
Ebben a munkában a kutatók úgy vélték, hogy az izomrostok maximalizálhatják a membránpotenciál különbséget, mivel nyugalmi potenciáljuk elérheti a -90 mV-ot. Megvizsgálták a talp izomrostjaiban rejlő membránpotenciál felhasználását, hogy felmérjék az önerős bioszenzoros technológia megvalósításának megvalósíthatóságát. Előzetes LTspice szimulációkat alkalmaztunk egy olyan vezeték nélküli kommunikációs rendszer tervezésére, amely képes mérni a kamat-hőmérséklet biológiai paramétereit. Ennek érdekében a kutatók egy olyan RLC áramkört modelleztek és optimalizáltak, amelynek rezgési frekvenciája a sejthőmérséklet függvényében változik. Ez lehetővé tette a közvetlenül talpizomrostokkal működő hőmérséklet-érzékelők gyártását és tesztelését különféle kísérleti körülmények között, lehetővé téve általános hatékonyságuk és megbízhatóságuk értékelését.
Bioelektromos generátor és energiagyűjtő áramkör
A kutatók kísérleti elrendezése révén a C1 kondenzátor változásai felhasználhatók a csillapított oszcillációs frekvencia különböző hőmérsékleteken történő kihasználására. Mivel a vázizomrostok az emlősök egész testében jelen vannak, a kutatók módszere lehetővé teszi egy saját tápellátású hőmérsékletérzékelő beültetését bárhová az emberi testbe. Ez megkönnyíti az intracelluláris hőmérséklet-ingadozások nyomon követését és megértését, amelyek jelentős hatással lehetnek a különféle biológiai folyamatokra, -például a rosszindulatú emlődaganatok elszaporodására- vagy a bio-robotok integrálására a célzott gyógyszerbejuttatás érdekében.
Kísérleti beállítás
A kutatók kísérleti teszteket is végeztek a biológiai sejtek által termelt energiával. Egerekből izolálták a lepényhal izmát, és egyetlen szálba intracelluláris elektródát helyeztek be, bizonyítva, hogy lehetséges az elektromos energia közvetlen gyűjtése a sejtmembránból. A tesztelés során -60 mV feszültséget és 2 µJ elektromos energiát gyűjtöttek össze, amelyet egy 1 mF-os kondenzátorban tároltak, és végül egy passzív érzékelő eszköz táplálására használtak. A kutatók kimutatták, hogy a vázizomzat még jobban teljesített, mint a korábbi vizsgálatokban használt petesejtek.
Kondenzátor töltése lepényhal izomrostjain keresztül
A kutatók összehasonlították a kísérleti eredményeket egy RLC áramköri modellel, ami jó egyezést mutatott a mért adatok és az elméleti előrejelzések között. A szálakból származó alacsony feszültség azonban kihívásokat jelenthet az alacsony teljesítményű elektronikus interfészek bevezetésében a vezeték nélküli kommunikációhoz. Mindazonáltal az ebben a tanulmányban javasolt autonóm hőmérséklet-érzékelő egy speciálisan kiválasztott tárolókondenzátort használ, amely a bioenergia-generátorhoz van csatlakoztatva, és közelről (10 mm) képes kommunikálni egy külső vevővel.
Ez a hőmérséklet-érzékelő, miután kalibrálták, 160 Hz-es sávszélességen továbbítja a hőmérsékleti adatokat a szobahőmérséklettől a biológiailag releváns hőmérsékletig (30-50 fok). A jövőbeni miniatürizálás lehetővé teheti a magasabb-frekvenciás hőmérséklet-érzékelést, de ehhez gondosan meg kell tervezni az elektronikus áramkör energiahatékonyságát, hogy minimalizáljuk a parazita ellenállásokat és a további energiaeloszlást.
A hőmérséklet-érzékelő jellemzői
Összefoglalva, a kutatók rávilágítottak a biológiai sejtekben rejlő lehetőségekre, mint energiaforrások kisméretű -bio-beágyazott alkalmazásokban. Az élő sejtek funkcióinak kiaknázásával-különösen az állati sejtek (izomrostok)-a kémiai energia elektromos energiává alakítható, lehetővé téve a saját-meghajtású bio-beágyazott érzékelők kifejlesztését. Az újratölthető akkumulátorokhoz és a kinetikus energiagyűjtési technológiákhoz képest ez a megoldás határozott előnyöket kínál, és megnyitja az utat a bio-beágyazott elektronika biológiai rendszerekbe való jövőbeni integrálásához. Ez a technológia ígéretes a bio{10}}autonóm érzékelők egy osztályának létrehozásában, amelyek képesek közvetlenül kölcsönhatásba lépni az élő szervezetek biológiai sejtjeivel. Az ezen a területen végzett további kutatás és fejlesztés hozzájárul az energiagyűjtési technikák fejlődéséhez és a bio{12}}beágyazott elektronika fejlődéséhez.