Сегодня автономные датчики с автономным-питанием применяются в различных областях, таких как Интернет вещей (IoT), промышленная автоматизация, умные города и мониторинг состояния конструкций (SHM). В этих рамках академические исследования стали пионерами устойчивых и циркулярных решений для удовлетворения потребностей в мощности миниатюрных электронных устройств.
По данным MEMS Consulting, исследователи из Университета Перуджи, Италия, недавно предложили новый метод дистанционного измерения температуры биологических клеток и их окружения. В этом подходе используется электрическая энергия, получаемая из одного мышечного волокна камбалы. Оптимизированная схема RLC встроена в ячейку, где конденсатор служит одновременно хранилищем энергии и датчиком температуры, используя присущую ему тепловую чувствительность. Экспериментальные данные подтвердили, что разработанная система может передавать температуру по беспроводной сети, используя энергию, полученную от клеточной мембраны, и работает в биологически значимом диапазоне (от 30 до 50 градусов). Этот датчик температуры с автономным-питанием потенциально может улучшить биомедицинское зондирование и не-инвазивный дистанционный мониторинг температуры. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano Energy под заголовком «Автономные-датчики температуры, использующие мембранный потенциал живых клеток».
В этой работе исследователи считали, что мышечные волокна могут максимизировать разность мембранных потенциалов, поскольку их потенциал покоя может достигать -90 мВ. Они исследовали возможности использования мембранного потенциала подошвенных мышечных волокон для оценки возможности внедрения биосенсорной технологии с автономным питанием. Предварительное моделирование LTspice было использовано для разработки системы беспроводной связи, способной измерять интересующий биологический параметр — температуру. С этой целью исследователи смоделировали и оптимизировали схему RLC, частота колебаний которой зависит от температуры клетки. Это позволило изготовить и протестировать датчики температуры, питаемые напрямую от мышечных волокон подошвы, в различных экспериментальных условиях, что позволило оценить их общую эффективность и надежность.
Биоэлектрический генератор и схема сбора энергии
С помощью экспериментальной установки исследователей можно использовать изменения в конденсаторе C1 для использования частоты затухающих колебаний при разных температурах. Поскольку волокна скелетных мышц присутствуют по всему телу млекопитающих, метод исследователей позволяет имплантировать датчик температуры с автономным питанием в любую точку человеческого тела. Это облегчает мониторинг и понимание колебаний внутриклеточной температуры, которые могут иметь серьезные последствия для различных биологических процессов,-таких как распространение злокачественных опухолей молочной железы-или для интеграции био-роботов для целевой доставки лекарств.
Экспериментальная установка
Исследователи также провели экспериментальные испытания энергии, вырабатываемой биологическими клетками. Они выделили мышцы камбалы у мышей и вставили внутриклеточный электрод в одно волокно, продемонстрировав возможность прямого сбора электрической энергии из клеточной мембраны. Во время тестирования они собрали напряжение -60 мВ и электрическую энергию 2 мкДж, которая была сохранена в конденсаторе емкостью 1 мФ и в конечном итоге использовалась для питания пассивного чувствительного устройства. Исследователи продемонстрировали, что скелетные мышцы работают даже лучше, чем ооциты, использованные в предыдущих исследованиях.
Зарядка конденсатора через мышечные волокна камбалы
Исследователи сравнили экспериментальные результаты с моделью схемы RLC, обнаружив хорошее соответствие между измеренными данными и теоретическими предсказаниями. Однако низкое напряжение, получаемое от волокон, может создать проблемы при реализации электронных интерфейсов малой мощности для беспроводной связи. Тем не менее, автономный датчик температуры, предложенный в этом исследовании, использует специально выбранный накопительный конденсатор, подключенный к генератору биоэнергии, и может обмениваться данными с внешним приемником на близком расстоянии (10 мм).
Этот датчик температуры после калибровки передает данные о температуре с полосой пропускания 160 Гц в диапазоне от комнатной температуры до биологически значимых температур (от 30 до 50 градусов). Будущая миниатюризация может обеспечить более-частотное измерение температуры, но для этого потребуется тщательно спроектировать энергоэффективность электронной схемы, чтобы минимизировать паразитные сопротивления и дальнейшее рассеяние энергии.
Характеристики датчика температуры
Таким образом, исследователи подчеркнули потенциал биологических клеток в качестве источников энергии для небольших-био-встроенных приложений. Используя функциональные возможности живых клеток,-особенно клеток животных (мышечных волокон),-химическая энергия может быть преобразована в электрическую, что позволяет разрабатывать автономные-био-встраиваемые датчики. По сравнению с перезаряжаемыми батареями и технологиями сбора кинетической энергии это решение предлагает явные преимущества, открывая путь к будущей интеграции био-встроенной электроники в биологические системы. Эта технология обещает создать класс био-автономных датчиков, способных напрямую взаимодействовать с биологическими клетками живых организмов. Дальнейшие исследования и разработки в этой области будут способствовать развитию технологий сбора энергии и развитию био-встраиваемой электроники.