Danas se autonomni i-napajani senzori primjenjuju u raznim područjima kao što su Internet stvari (IoT), industrijska automatizacija, pametni gradovi i praćenje stanja konstrukcija (SHM). Unutar tog okvira, akademsko istraživanje je pionir u održivim i kružnim rješenjima koja zadovoljavaju zahtjeve za napajanjem minijaturnih elektroničkih uređaja.
Prema MEMS Consultingu, istraživači sa Sveučilišta Perugia, Italija, nedavno su predložili novu metodu za daljinsko mjerenje temperature bioloških stanica i njihove okoline. Ovaj pristup koristi električnu energiju dobivenu iz jednog mišićnog vlakna iverka. Optimizirani RLC krug ugrađen je unutar ćelije, gdje kondenzator služi i kao jedinica za pohranu energije i kao temperaturni senzor, iskorištavajući njegovu inherentnu toplinsku osjetljivost. Eksperimentalni podaci potvrdili su da razvijeni sustav može bežično prenositi temperaturu koristeći energiju prikupljenu iz stanične membrane i da radi unutar biološki relevantnog raspona (30 stupnjeva do 50 stupnjeva). Ovaj temperaturni senzor sa samo-napajanjem ima potencijal za poboljšanje biomedicinskog očitavanja i ne-invazivnog daljinskog praćenja temperature. Nalazi istraživanja objavljeni su u časopisu Nano Energy pod naslovom "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells."
U ovom su radu istraživači smatrali da mišićna vlakna mogu maksimizirati razliku potencijala membrane, jer njihov potencijal mirovanja može doseći -90 mV. Istraživali su iskorištavanje membranskog potencijala jedinih mišićnih vlakana kako bi procijenili izvedivost implementacije biosenzorske tehnologije-napajanja. Preliminarne LTspice simulacije korištene su za dizajniranje bežičnog komunikacijskog sustava sposobnog za mjerenje biološkog parametra interesne temperature. U tu su svrhu istraživači modelirali i optimizirali RLC krug čija frekvencija osciliranja varira s temperaturom stanice. To je omogućilo izradu i testiranje temperaturnih senzora koji se izravno napajaju jedinim mišićnim vlaknima pod različitim eksperimentalnim uvjetima, omogućujući procjenu njihove ukupne učinkovitosti i pouzdanosti.
Bioelektrični generator i krug za prikupljanje energije
Kroz eksperimentalne postavke istraživača, varijacije u kondenzatoru C1 mogu se iskoristiti za korištenje prigušene frekvencije osciliranja na različitim temperaturama. Budući da su skeletna mišićna vlakna prisutna u cijelom tijelu sisavaca, istraživačeva metoda omogućuje-ugradnju temperaturnog senzora na vlastito napajanje bilo gdje u ljudskom tijelu. Ovo olakšava praćenje i razumijevanje fluktuacija unutarstanične temperature, koje mogu imati značajne implikacije za različite biološke procese-kao što je proliferacija malignih tumora dojke-ili za integraciju bio-robota za ciljanu dostavu lijekova.
Eksperimentalna postavka
Istraživači su također proveli eksperimentalna ispitivanja energije koju generiraju biološke stanice. Izolirali su mišić iverka iz miševa i umetnuli unutarstaničnu elektrodu u jedno vlakno, pokazujući izvedivost izravnog prikupljanja električne energije iz stanične membrane. Tijekom testiranja prikupili su napon od -60 mV i 2 µJ električne energije, koja je pohranjena u kondenzatoru od 1 mF i na kraju korištena za napajanje pasivnog senzorskog uređaja. Istraživači su pokazali da su skeletni mišići radili čak bolje od oocita korištenih u prethodnim studijama.
Punjenje kondenzatora preko mišićnih vlakana iverka
Istraživači su usporedili eksperimentalne rezultate s RLC modelom kruga, otkrivajući dobro slaganje između izmjerenih podataka i teoretskih predviđanja. Međutim, nizak napon prikupljen iz vlakana može predstavljati izazov za implementaciju elektroničkih sučelja-niske snage za bežičnu komunikaciju. Unatoč tome, autonomni temperaturni senzor predložen u ovoj studiji koristi posebno odabrani kondenzator za pohranu spojen na generator bio-energije i može komunicirati s vanjskim prijamnikom na maloj udaljenosti (10 mm).
Ovaj temperaturni senzor, nakon što je kalibriran, prenosi temperaturne podatke u pojasu od 160 Hz u rasponu od sobne temperature do biološki relevantnih temperatura (30 stupnjeva do 50 stupnjeva). Buduća minijaturizacija mogla bi omogućiti više{4}}osjećanje temperature na frekvenciji, ali to zahtijeva pažljivo dizajniranje energetske učinkovitosti elektroničkog sklopa kako bi se minimalizirali parazitski otpori i daljnje rasipanje energije.
Karakteristike senzora temperature
Ukratko, istraživači su istaknuli potencijal bioloških stanica kao izvora energije za male-bio-ugrađene aplikacije. Iskorištavanjem funkcionalnosti živih stanica-osobito životinjskih stanica (mišićna vlakna)-kemijska energija može se pretvoriti u električnu energiju, omogućujući razvoj ugrađenih-bio-senzora na vlastito napajanje. U usporedbi s punjivim baterijama i tehnologijama sakupljanja kinetičke energije, ovo rješenje nudi jasne prednosti, utirući put budućoj integraciji bio-ugrađene elektronike u biološke sustave. Ova tehnologija obećava uspostavljanje klase bio{10}}autonomnih senzora sposobnih za izravnu interakciju s biološkim stanicama unutar živih organizama. Daljnje istraživanje i razvoj u ovom području doprinijet će napretku u tehnikama sakupljanja energije i evoluciji bio-ugrađene elektronike.