Tänapäeval kasutatakse autonoomseid ja{0}}autotoitega andureid erinevates valdkondades, nagu asjade internet (IoT), tööstusautomaatika, nutikad linnad ja struktuurilise tervise jälgimine (SHM). Selles raamistikus on akadeemilised teadusuuringud toonud välja jätkusuutlikud ja ringikujulised lahendused miniatuursete elektroonikaseadmete energiavajaduste rahuldamiseks.
MEMS Consultingi andmetel pakkusid Itaalia Perugia ülikooli teadlased hiljuti välja uudse meetodi bioloogiliste rakkude ja nende ümbruse temperatuuri kaugmõõtmiseks. See lähenemisviis kasutab elektrienergiat, mis on kogutud ühest lesta lihaskiust. Lahtrisse on integreeritud optimeeritud RLC-ahel, kus kondensaator toimib nii energiasalvesti kui ka temperatuuriandurina, võimendades selle loomupärast termilist tundlikkust. Eksperimentaalsed andmed kinnitasid, et väljatöötatud süsteem suudab juhtmevabalt edastada temperatuuri, kasutades rakumembraanilt kogutud energiat, ja töötab bioloogiliselt olulises vahemikus (30 kraadi kuni 50 kraadi). Sellel isetoitel-temperatuurianduril on potentsiaali biomeditsiinilise tuvastuse ja mitteinvasiivse temperatuuri kaugjälgimise tõhustamiseks. Uurimistulemused avaldati ajakirjas Nano Energy pealkirja all "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells".
Selles töös leidsid teadlased, et lihaskiud võivad membraanipotentsiaali erinevust maksimeerida, kuna nende puhkepotentsiaal võib ulatuda -90 mV-ni. Nad uurisid talla lihaskiudude membraanipotentsiaali kasutamist, et hinnata omatoitega biosensortehnoloogia rakendamise teostatavust. Esialgseid LTspice simulatsioone kasutati traadita sidesüsteemi kavandamiseks, mis suudab mõõta huvitemperatuuri bioloogilist parameetrit. Sel eesmärgil modelleerisid ja optimeerisid teadlased RLC-ahelat, mille võnkesagedus varieerub sõltuvalt raku temperatuurist. See võimaldas valmistada ja katsetada temperatuuriandureid, mis töötavad otse talla lihaskiududest erinevates katsetingimustes, võimaldades hinnata nende üldist tõhusust ja töökindlust.
Bioelektrigeneraator ja energia kogumise ahel
Teadlaste eksperimentaalse seadistuse kaudu saab kondensaatori C1 variatsioone kasutada, et kasutada summutatud võnkesagedust erinevatel temperatuuridel. Kuna skeletilihaskiud on kogu imetaja kehas, võimaldab teadlaste meetod implanteerida omatoitega temperatuurianduri kõikjale inimkehasse. See hõlbustab rakusiseste temperatuurikõikumiste jälgimist ja mõistmist, mis võib avaldada märkimisväärset mõju erinevatele bioloogilistele protsessidele-nagu pahaloomuliste rinnakasvajate vohamine-või bio-robotite integreerimine ravimite sihipäraseks kohaletoimetamiseks.
Eksperimentaalne seadistus
Teadlased viisid läbi ka eksperimentaalseid katseid bioloogiliste rakkude toodetud energiaga. Nad eraldasid hiirtelt lestalihase ja sisestasid rakusisese elektroodi ühte kiudu, näidates, et on võimalik rakumembraanilt elektrienergiat otse koguda. Katsetamise ajal kogusid nad pinget -60 mV ja 2 µJ elektrienergiat, mis salvestati 1 mF kondensaatorisse ja kasutati lõpuks passiivse anduri seadme toiteks. Teadlased näitasid, et skeletilihased toimisid isegi paremini kui varasemates uuringutes kasutatud munarakud.
Kondensaatori laadimine lesta lihaskiudude kaudu
Teadlased võrdlesid katsetulemusi RLC vooluahela mudeliga, mis näitas mõõdetud andmete ja teoreetiliste prognooside vahelist head vastavust. Kuid kiududest kogutud madalpinge võib tekitada väljakutseid väikese võimsusega{1}}elektrooniliste liideste rakendamisel traadita side jaoks. Sellegipoolest kasutab selles uuringus välja pakutud autonoomne temperatuuriandur spetsiaalselt valitud salvestuskondensaatorit, mis on ühendatud bio-energiageneraatoriga ja suudab suhelda välise vastuvõtjaga lähedalt (10 mm).
See temperatuuriandur, kui see on kalibreeritud, edastab temperatuuriandmeid 160 Hz ribalaiusega vahemikus toatemperatuurist kuni bioloogiliselt oluliste temperatuurideni (30 kuni 50 kraadi). Tulevane miniaturiseerimine võib võimaldada kõrgema-sagedusega temperatuuri tuvastamist, kuid selleks on vaja hoolikalt kavandada elektroonikaahela energiatõhusus, et minimeerida parasiittakistust ja edasist energia hajumist.
Temperatuurianduri omadused
Kokkuvõttes on teadlased rõhutanud bioloogiliste rakkude potentsiaali energiaallikana väikesemahulistes -bio-manusrakendustes. Elusrakkude, -eriti loomarakkude (lihaskiudude)-funktsioonide kasutamisel saab keemilist energiat muundada elektrienergiaks, mis võimaldab välja töötada omatoitega bio-manustatud andureid. Võrreldes taaslaetavate akude ja kineetilise energia kogumise tehnoloogiatega pakub see lahendus selgeid eeliseid, sillutades teed bio-manustatud elektroonika edaspidiseks integreerimiseks bioloogilistesse süsteemidesse. See tehnoloogia lubab luua klassi bio{10}}autonoomseid andureid, mis suudavad elusorganismide bioloogiliste rakkudega otseselt suhelda. Selle valdkonna edasine teadus- ja arendustegevus aitab kaasa energia kogumise tehnikate edusammudele ja bio{12}}manustatud elektroonika arengule.