Dnes se autonomní a samostatně napájené senzory{0}} používají v různých oblastech, jako je internet věcí (IoT), průmyslová automatizace, chytrá města a strukturální monitorování zdraví (SHM). V tomto rámci byl akademický výzkum průkopníkem udržitelných a cirkulárních řešení, která splňují požadavky na napájení miniaturních elektronických zařízení.
Podle MEMS Consulting vědci z University of Perugia v Itálii nedávno navrhli novou metodu pro dálkové měření teploty biologických buněk a jejich okolí. Tento přístup využívá elektrickou energii získanou z jediného svalového vlákna platýse. Uvnitř článku je zabudován optimalizovaný obvod RLC, kde kondenzátor slouží jako jednotka pro uchovávání energie i jako teplotní senzor a využívá svou vlastní tepelnou citlivost. Experimentální data potvrdila, že vyvinutý systém může bezdrátově přenášet teplotu pomocí energie získané z buněčné membrány a funguje v biologicky relevantním rozsahu (30 stupňů až 50 stupňů). Tento samostatně-napájený teplotní senzor má potenciál pro zlepšení biomedicínského snímání a neinvazivního vzdáleného monitorování teploty. Výsledky výzkumu byly publikovány v časopise Nano Energy pod názvem „Self-Powered Temperature Sensors Harnesse Membrane Potential of Living Cells“.
V této práci vědci usoudili, že svalová vlákna mohou maximalizovat rozdíl membránového potenciálu, protože jejich klidový potenciál může dosáhnout -90 mV. Zkoumali využití membránového potenciálu svalových vláken na chodidlech k posouzení proveditelnosti implementace technologie biosenzorů s vlastním pohonem. Předběžné simulace LTspice byly použity k návrhu bezdrátového komunikačního systému schopného měřit biologický parametr sledované teploty. Za tímto účelem výzkumníci modelovali a optimalizovali obvod RLC, jehož frekvence oscilací se mění s teplotou buněk. To umožnilo výrobu a testování teplotních senzorů přímo napájených svalovými vlákny v různých experimentálních podmínkách, což umožnilo vyhodnotit jejich celkovou účinnost a spolehlivost.
Bioelektrický generátor a obvod pro získávání energie
Prostřednictvím experimentálního nastavení výzkumníků lze využít variace kondenzátoru C1 k využití frekvence tlumených oscilací při různých teplotách. Vzhledem k tomu, že vlákna kosterního svalstva jsou přítomna v celém těle savců, metoda výzkumníků umožňuje implantovat teplotní senzor s vlastním napájením- kdekoli v lidském těle. To usnadňuje sledování a pochopení fluktuací intracelulární teploty, které mohou mít významné důsledky pro různé biologické procesy,-jako je proliferace maligních nádorů prsu-nebo pro integraci bio-robotů pro cílené podávání léků.
Experimentální nastavení
Vědci také provedli experimentální testy energie generované biologickými buňkami. Izolovali platýsový sval z myší a vložili intracelulární elektrodu do jediného vlákna, což prokázalo proveditelnost přímého získávání elektrické energie z buněčné membrány. Během testování nasbírali napětí -60 mV a 2 µJ elektrické energie, která byla uložena v 1 mF kondenzátoru a nakonec použita k napájení pasivního snímacího zařízení. Vědci prokázali, že kosterní svaly fungovaly ještě lépe než oocyty použité v předchozích studiích.
Nabíjení kondenzátoru přes svalová vlákna platýse
Výzkumníci porovnali experimentální výsledky s modelem obvodu RLC a odhalili dobrou shodu mezi naměřenými daty a teoretickými předpověďmi. Nízké napětí získané z vláken však může představovat problémy při implementaci nízkoenergetických elektronických rozhraní pro bezdrátovou komunikaci. Nicméně autonomní teplotní senzor navržený v této studii využívá specificky vybraný akumulační kondenzátor připojený ke generátoru bio-energie a může komunikovat s externím přijímačem na blízko (10 mm).
Tento teplotní senzor, jakmile je zkalibrován, přenáší teplotní data v šířce pásma 160 Hz v rozsahu od pokojové teploty po biologicky relevantní teploty (30 až 50 stupňů). Budoucí miniaturizace by mohla umožnit vyšší-frekvenční snímání teploty, ale to vyžaduje pečlivý návrh energetické účinnosti elektronického obvodu, aby se minimalizovaly parazitní odpory a další ztráta energie.
Charakteristika snímače teploty
Stručně řečeno, výzkumníci zdůraznili potenciál biologických buněk jako zdrojů energie pro malé -bio{1}}vestavěné aplikace. Využitím funkcí živých buněk-zejména živočišných buněk (svalových vláken)-může být chemická energie přeměněna na elektrickou energii, což umožňuje vývoj vestavěných -bio-senzorů s vlastním pohonem. Ve srovnání s dobíjecími bateriemi a technologiemi získávání kinetické energie nabízí toto řešení výrazné výhody, které dláždí cestu pro budoucí integraci bio-vestavěné elektroniky do biologických systémů. Tato technologie je příslibem pro vytvoření třídy bio{10}}autonomních senzorů schopných přímo interagovat s biologickými buňkami v živých organismech. Další výzkum a vývoj v této oblasti přispěje k pokroku v technikách získávání energie a vývoji bio-vestavěné elektroniky.