I dag brukes autonome og selvdrevne-sensorer på tvers av ulike felt som tingenes internett (IoT), industriell automasjon, smarte byer og strukturell helseovervåking (SHM). Innenfor denne rammen har akademisk forskning vært banebrytende for bærekraftige og sirkulære løsninger for å møte strømkravene til elektroniske miniatyrenheter.
Ifølge MEMS Consulting har forskere ved University of Perugia, Italia, nylig foreslått en ny metode for fjerntemperaturmåling av biologiske celler og deres omgivelser. Denne tilnærmingen bruker elektrisk energi høstet fra en enkelt flyndre muskelfiber. En optimalisert RLC-krets er innebygd i cellen, der kondensatoren fungerer som både en energilagringsenhet og en temperatursensor, og utnytter dens iboende termiske følsomhet. Eksperimentelle data bekreftet at det utviklede systemet trådløst kan overføre temperatur ved å bruke energi høstet fra cellemembranen og opererer innenfor det biologisk relevante området (30 grader til 50 grader). Denne selvdrevne temperatursensoren har potensial for å forbedre biomedisinsk registrering og ikke--invasiv fjernovervåking av temperatur. Forskningsfunnene ble publisert i tidsskriftet Nano Energy under tittelen "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells."
I dette arbeidet vurderte forskere at muskelfibre kan maksimere membranpotensialforskjellen, ettersom hvilepotensialet deres kan nå -90 mV. De utforsket å utnytte membranpotensialet til såle muskelfibre for å vurdere muligheten for å implementere selvdrevet-biosensorteknologi. Foreløpige LTspice-simuleringer ble brukt for å designe et trådløst kommunikasjonssystem som var i stand til å måle den biologiske parameteren interesse-temperatur. For dette formål modellerte og optimaliserte forskere en RLC-krets hvis oscillasjonsfrekvens varierer med cellulær temperatur. Dette muliggjorde fremstilling og testing av temperatursensorer direkte drevet av sålemuskelfibre under forskjellige eksperimentelle forhold, noe som muliggjorde evaluering av deres generelle effektivitet og pålitelighet.
Bioelektrisk generator og energihøstingskrets
Gjennom forskernes eksperimentelle oppsett kan variasjoner i kondensator C1 utnyttes til å utnytte den dempede oscillasjonsfrekvensen ved ulike temperaturer. Siden skjelettmuskelfibre er tilstede i hele pattedyrkroppen, gjør forskernes metode det mulig å implantere en selvdrevet- temperatursensor hvor som helst i menneskekroppen. Dette letter overvåking og forståelse av intracellulære temperatursvingninger, som kan ha betydelige implikasjoner for ulike biologiske prosesser-som spredning av ondartede brystsvulster-eller for integrering av bio-roboter for målrettet medikamentlevering.
Eksperimentell oppsett
Forskere utførte også eksperimentelle tester på energi generert av biologiske celler. De isolerte flyndremuskel fra mus og satte inn en intracellulær elektrode i en enkelt fiber, og demonstrerte muligheten for direkte å høste elektrisk energi fra cellemembranen. Under testing samlet de en spenning på -60 mV og 2 µJ elektrisk energi, som ble lagret i en 1 mF kondensator og til slutt brukt til å drive en passiv sensorenhet. Forskerne viste at skjelettmuskulaturen presterte enda bedre enn oocyttene som ble brukt i tidligere studier.
Lader en kondensator via flyndre muskelfibre
Forskere sammenlignet eksperimentelle resultater med en RLC-kretsmodell, og avslørte god samsvar mellom målte data og teoretiske spådommer. Imidlertid kan den lave spenningen som høstes fra fibrene utgjøre utfordringer for implementering av elektroniske grensesnitt med lav-effekt for trådløs kommunikasjon. Ikke desto mindre bruker den autonome temperatursensoren som er foreslått i denne studien en spesifikt valgt lagringskondensator koblet til bio-energigeneratoren og kan kommunisere med en ekstern mottaker på nært hold (10 mm).
Denne temperatursensoren, når den er kalibrert, overfører temperaturdata med en båndbredde på 160 Hz over området fra romtemperatur til biologisk relevante temperaturer (30 grader til 50 grader). Fremtidig miniatyrisering kan muliggjøre temperaturføling med høyere-frekvens, men dette krever nøye utforming av den elektroniske kretsens energieffektivitet for å minimere parasittiske motstander og ytterligere energispredning.
Temperatursensoregenskaper
Oppsummert har forskere fremhevet potensialet til biologiske celler som energikilder for små-bio{1}}innebygde applikasjoner. Ved å utnytte funksjonene til levende celler,-spesielt dyreceller (muskelfibre)-kan kjemisk energi omdannes til elektrisk energi, noe som muliggjør utvikling av selv-drevne bio-innebygde sensorer. Sammenlignet med oppladbare batterier og teknologier for høsting av kinetisk energi, gir denne løsningen klare fordeler, og baner vei for fremtidig integrering av bio-innebygd elektronikk i biologiske systemer. Denne teknologien lover å etablere en klasse bio{10}}autonome sensorer som er i stand til å samhandle direkte med biologiske celler i levende organismer. Ytterligere forskning og utvikling på dette feltet vil bidra til fremskritt innen energihøstingsteknikker og utviklingen av bio-innebygd elektronikk.