Hari ini, penderia autonomi dan berkuasa sendiri-digunakan merentas pelbagai bidang seperti Internet of Things (IoT), automasi industri, bandar pintar dan pemantauan kesihatan struktur (SHM). Dalam rangka kerja ini, penyelidikan akademik telah mempelopori penyelesaian yang mampan dan bulat untuk memenuhi permintaan kuasa peranti elektronik kecil.
Menurut Perundingan MEMS, penyelidik di Universiti Perugia, Itali, baru-baru ini mencadangkan kaedah baru untuk pengukuran suhu jauh sel biologi dan persekitarannya. Pendekatan ini menggunakan tenaga elektrik yang dituai daripada serat otot menggelepar tunggal. Litar RLC yang dioptimumkan dibenamkan dalam sel, di mana kapasitor berfungsi sebagai kedua-dua unit penyimpanan tenaga dan penderia suhu, memanfaatkan kepekaan haba yang wujud. Data eksperimen mengesahkan bahawa sistem yang dibangunkan boleh menghantar suhu secara wayarles menggunakan tenaga yang diperoleh daripada membran sel dan beroperasi dalam julat yang berkaitan secara biologi (30 darjah hingga 50 darjah ). Penderia suhu yang dikuasakan sendiri-ini mempunyai potensi untuk meningkatkan penderiaan bioperubatan dan pemantauan suhu jauh bukan-invasif. Penemuan penyelidikan telah diterbitkan dalam jurnal Nano Energy di bawah tajuk "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells."
Dalam kerja ini, penyelidik menganggap gentian otot boleh memaksimumkan perbezaan potensi membran, kerana potensi rehatnya boleh mencapai -90 mV. Mereka meneroka menggunakan potensi membran gentian otot tunggal untuk menilai kebolehlaksanaan melaksanakan-teknologi biosensor berkuasa sendiri. Simulasi LTspice awal telah digunakan untuk mereka bentuk sistem komunikasi tanpa wayar yang mampu mengukur parameter biologi suhu minat. Untuk tujuan ini, penyelidik memodelkan dan mengoptimumkan litar RLC yang frekuensi ayunannya berbeza-beza mengikut suhu selular. Ini membolehkan fabrikasi dan ujian penderia suhu yang dikuasakan secara langsung oleh gentian otot tunggal di bawah keadaan eksperimen yang pelbagai, membolehkan penilaian kecekapan dan kebolehpercayaan keseluruhannya.
Penjana Bioelektrik dan Litar Penuaian Tenaga
Melalui persediaan eksperimen penyelidik, variasi dalam kapasitor C1 boleh dimanfaatkan untuk menggunakan frekuensi ayunan yang dilembapkan pada suhu yang berbeza. Memandangkan gentian otot rangka terdapat di seluruh badan mamalia, kaedah penyelidik membolehkan-penderia suhu berkuasa sendiri ditanamkan di mana-mana dalam badan manusia. Ini memudahkan pemantauan dan pemahaman turun naik suhu intraselular, yang mungkin mempunyai implikasi yang ketara untuk pelbagai proses biologi-seperti percambahan tumor payudara malignan-atau untuk menyepadukan bio-robot untuk penghantaran ubat yang disasarkan.
Persediaan Eksperimen
Penyelidik juga menjalankan ujian eksperimen ke atas tenaga yang dihasilkan oleh sel biologi. Mereka mengasingkan otot menggelepar daripada tikus dan memasukkan elektrod intraselular ke dalam gentian tunggal, menunjukkan kemungkinan untuk menuai tenaga elektrik secara langsung daripada membran sel. Semasa ujian, mereka mengumpul voltan -60 mV dan 2 µJ tenaga elektrik, yang disimpan dalam kapasitor 1 mF dan akhirnya digunakan untuk menggerakkan peranti pengesan pasif. Para penyelidik menunjukkan bahawa otot rangka berprestasi lebih baik daripada oosit yang digunakan dalam kajian terdahulu.
Mengecas kapasitor melalui gentian otot menggelepar
Penyelidik membandingkan keputusan eksperimen dengan model litar RLC, mendedahkan persetujuan yang baik antara data yang diukur dan ramalan teori. Walau bagaimanapun, voltan rendah yang diperoleh daripada gentian mungkin menimbulkan cabaran untuk melaksanakan-antara muka elektronik kuasa rendah untuk komunikasi tanpa wayar. Namun begitu, penderia suhu autonomi yang dicadangkan dalam kajian ini menggunakan kapasitor storan yang dipilih khusus yang disambungkan kepada penjana tenaga-bio dan boleh berkomunikasi dengan penerima luaran pada jarak dekat (10 mm).
Penderia suhu ini, setelah ditentukur, menghantar data suhu pada lebar jalur 160 Hz merentasi julat daripada suhu bilik kepada suhu yang berkaitan secara biologi (30 darjah hingga 50 darjah ). Pengecilan masa hadapan boleh mendayakan-penderiaan suhu frekuensi yang lebih tinggi, tetapi ini memerlukan mereka bentuk kecekapan tenaga litar elektronik dengan teliti untuk meminimumkan rintangan parasit dan pelesapan tenaga selanjutnya.
Ciri-ciri Penderia Suhu
Ringkasnya, penyelidik telah menyerlahkan potensi sel biologi sebagai sumber tenaga untuk aplikasi terbenam-bio-berskala kecil. Dengan memanfaatkan kefungsian sel hidup-terutamanya sel haiwan (gentian otot)-tenaga kimia boleh ditukar kepada tenaga elektrik, membolehkan pembangunan penderia tertanam-bio berkuasa sendiri-. Berbanding dengan bateri boleh dicas semula dan teknologi penuaian tenaga kinetik, penyelesaian ini menawarkan kelebihan yang berbeza, membuka jalan untuk penyepaduan masa hadapan bio-elektronik terbenam ke dalam sistem biologi. Teknologi ini menjanjikan untuk mewujudkan kelas{10}}penderia autonomi bio yang mampu berinteraksi secara langsung dengan sel biologi dalam organisma hidup. Penyelidikan dan pembangunan lanjut dalam bidang ini akan menyumbang kepada kemajuan dalam teknik penuaian tenaga dan evolusi bio{12}}elektronik terbenam.