Idag används autonoma och självförsörjande-sensorer inom olika områden som Internet of Things (IoT), industriell automation, smarta städer och strukturell hälsoövervakning (SHM). Inom denna ram har akademisk forskning banat väg för hållbara och cirkulära lösningar för att möta kraftkraven från elektroniska miniatyrenheter.
Enligt MEMS Consulting har forskare vid universitetet i Perugia, Italien, nyligen föreslagit en ny metod för fjärrmätning av temperatur av biologiska celler och deras omgivning. Detta tillvägagångssätt använder elektrisk energi som skördas från en enda flundramuskelfiber. En optimerad RLC-krets är inbäddad i cellen, där kondensatorn fungerar som både en energilagringsenhet och en temperatursensor, vilket utnyttjar dess inneboende termiska känslighet. Experimentella data bekräftade att det utvecklade systemet trådlöst kan överföra temperatur med hjälp av energi som skördas från cellmembranet och fungerar inom det biologiskt relevanta området (30 grader till 50 grader). Denna själv-drivna temperatursensor har potential för att förbättra biomedicinsk avkänning och icke-invasiv fjärrövervakning av temperatur. Forskningsresultaten publicerades i tidskriften Nano Energy under titeln "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells."
I detta arbete ansåg forskare att muskelfibrer kan maximera membranpotentialskillnaden, eftersom deras vilopotential kan nå -90 mV. De undersökte att utnyttja membranpotentialen hos sulans muskelfibrer för att bedöma möjligheten att implementera egen-biosensorteknologi. Preliminära LTspice-simuleringar användes för att designa ett trådlöst kommunikationssystem som kan mäta den biologiska parametern av intresse-temperatur. För detta ändamål modellerade och optimerade forskare en RLC-krets vars oscillationsfrekvens varierar med cellulär temperatur. Detta möjliggjorde tillverkning och testning av temperatursensorer direkt drivna av sulans muskelfibrer under olika experimentella förhållanden, vilket möjliggjorde utvärdering av deras totala effektivitet och tillförlitlighet.
Bioelektrisk generator och energiskördskrets
Genom forskarnas experimentupplägg kan variationer i kondensator C1 utnyttjas för att utnyttja den dämpade svängningsfrekvensen vid olika temperaturer. Eftersom skelettmuskelfibrer finns i hela däggdjurskroppen, gör forskarnas metod det möjligt att implantera en självförsörjande- temperatursensor var som helst i människokroppen. Detta underlättar övervakning och förståelse av intracellulära temperaturfluktuationer, vilket kan ha betydande konsekvenser för olika biologiska processer-såsom spridningen av maligna brösttumörer-eller för att integrera bio-robotar för riktad läkemedelstillförsel.
Experimentell uppställning
Forskare genomförde också experimentella tester på energi som genereras av biologiska celler. De isolerade flundramuskler från möss och infogade en intracellulär elektrod i en enda fiber, vilket visar möjligheten att direkt skörda elektrisk energi från cellmembranet. Under testningen samlade de en spänning på -60 mV och 2 µJ elektrisk energi, som lagrades i en 1 mF kondensator och slutligen användes för att driva en passiv avkänningsenhet. Forskarna visade att skelettmuskulaturen presterade ännu bättre än oocyterna som använts i tidigare studier.
Laddar en kondensator via flundramuskelfibrer
Forskare jämförde experimentella resultat med en RLC-kretsmodell, vilket visade god överensstämmelse mellan uppmätta data och teoretiska förutsägelser. Den låga spänningen som tas från fibrerna kan dock innebära utmaningar för att implementera elektroniska gränssnitt med låg-effekt för trådlös kommunikation. Ändå använder den autonoma temperatursensorn som föreslås i denna studie en specifikt utvald lagringskondensator ansluten till bio-energigeneratorn och kan kommunicera med en extern mottagare på nära håll (10 mm).
Denna temperatursensor, när den är kalibrerad, överför temperaturdata med en bandbredd på 160 Hz över intervallet från rumstemperatur till biologiskt relevanta temperaturer (30 grader till 50 grader). Framtida miniatyrisering skulle kunna möjliggöra högre-temperaturavkänning, men detta kräver noggrann design av den elektroniska kretsens energieffektivitet för att minimera parasitmotstånd och ytterligare energiförlust.
Temperatursensoregenskaper
Sammanfattningsvis har forskare lyft fram potentialen hos biologiska celler som energikällor för små-bio-inbäddade tillämpningar. Genom att utnyttja funktionerna hos levande celler,-särskilt djurceller (muskelfibrer)-kan kemisk energi omvandlas till elektrisk energi, vilket möjliggör utveckling av själv-drivna bio-inbäddade sensorer. Jämfört med laddningsbara batterier och teknik för kinetisk energiskörd erbjuder denna lösning tydliga fördelar, vilket banar väg för framtida integration av bio-inbäddad elektronik i biologiska system. Den här tekniken lovar att etablera en klass av bio-autonoma sensorer som kan interagera direkt med biologiska celler i levande organismer. Ytterligare forskning och utveckling inom detta område kommer att bidra till framsteg inom tekniker för energiskörd och utvecklingen av bio-inbäddad elektronik.