Günümüzde otonom ve kendi kendine{0}güç sağlayan sensörler, Nesnelerin İnterneti (IoT), endüstriyel otomasyon, akıllı şehirler ve yapısal sağlık izleme (SHM) gibi çeşitli alanlarda uygulanmaktadır. Bu çerçevede akademik araştırmalar, minyatür elektronik cihazların güç taleplerini karşılamak için sürdürülebilir ve döngüsel çözümlere öncülük etmiştir.
MEMS Consulting'e göre, İtalya'nın Perugia Üniversitesi'ndeki araştırmacılar yakın zamanda biyolojik hücrelerin ve çevrelerinin uzaktan sıcaklık ölçümü için yeni bir yöntem önerdiler. Bu yaklaşım, tek bir pisi balığı kas lifinden toplanan elektrik enerjisini kullanır. Optimize edilmiş bir RLC devresi, kapasitörün hem enerji depolama ünitesi hem de sıcaklık sensörü olarak görev yaptığı hücrenin içine yerleştirilmiştir ve doğal termal duyarlılığından yararlanır. Deneysel veriler, geliştirilen sistemin hücre zarından toplanan enerjiyi kullanarak kablosuz olarak sıcaklık iletebildiğini ve biyolojik olarak ilgili aralıkta (30 derece ila 50 derece) çalıştığını doğruladı. Kendi kendine güç sağlayan bu-sıcaklık sensörü, biyomedikal algılamayı ve-invaziv olmayan uzaktan sıcaklık izlemeyi geliştirme potansiyeli taşıyor. Araştırma bulguları Nano Energy dergisinde "Kendi-Yaşayan Hücrelerin Membran Potansiyelini Kullanan Kendiliğinden Güçlenen Sıcaklık Sensörleri" başlığı altında yayınlandı.
Bu çalışmada araştırmacılar, kas liflerinin dinlenme potansiyelleri -90 mV'a ulaşabildiği için membran potansiyel farkını maksimuma çıkarabildiğini düşündüler. Kendi kendine güç sağlayan biyosensör teknolojisinin uygulanmasının fizibilitesini değerlendirmek için taban kas liflerinin zar potansiyelini kullanmayı araştırdılar. İlgi-sıcaklığın biyolojik parametresini ölçebilen bir kablosuz iletişim sistemi tasarlamak için ön LTspice simülasyonları kullanıldı. Bu amaçla araştırmacılar, salınım frekansı hücresel sıcaklığa göre değişen bir RLC devresini modelledi ve optimize etti. Bu, çeşitli deneysel koşullar altında doğrudan kas lifleri tarafından desteklenen sıcaklık sensörlerinin üretilmesine ve test edilmesine olanak tanıdı ve bunların genel verimliliğinin ve güvenilirliğinin değerlendirilmesine olanak sağladı.
Biyoelektrik Jeneratör ve Enerji Hasat Devresi
Araştırmacıların deney düzeneği aracılığıyla, C1 kapasitöründeki değişiklikler, farklı sıcaklıklarda sönümlü salınım frekansından faydalanmak için kullanılabilir. İskelet kası lifleri memeli vücudunun her yerinde mevcut olduğundan, araştırmacıların yöntemi, gücünü kendi kendine-besleyen bir sıcaklık sensörünün insan vücudunun herhangi bir yerine yerleştirilmesine olanak sağlıyor. Bu, hücre içi sıcaklık dalgalanmalarının izlenmesini ve anlaşılmasını kolaylaştırır; bu dalgalanmalar, -kötü huylu göğüs tümörlerinin çoğalması- gibi çeşitli biyolojik süreçler veya hedefe yönelik ilaç dağıtımı için biyo-robotların entegre edilmesi gibi önemli sonuçlar doğurabilir.
Deneysel Kurulum
Araştırmacılar ayrıca biyolojik hücrelerin ürettiği enerji üzerinde deneysel testler yaptılar. Pisi balığı kasını farelerden izole ettiler ve tek bir fibere hücre içi bir elektrot yerleştirdiler; böylece hücre zarından doğrudan elektrik enerjisi toplamanın fizibilitesini gösterdiler. Test sırasında, 1 mF'lik bir kapasitörde depolanan ve sonuçta pasif bir algılama cihazına güç vermek için kullanılan -60 mV'luk bir voltaj ve 2 µJ elektrik enerjisi topladılar. Araştırmacılar iskelet kasının önceki çalışmalarda kullanılan oositlerden bile daha iyi performans gösterdiğini gösterdi.
Pisi balığı kas lifleri aracılığıyla bir kapasitörün şarj edilmesi
Araştırmacılar deneysel sonuçları bir RLC devre modeliyle karşılaştırdı ve ölçülen veriler ile teorik tahminler arasında iyi bir uyum olduğunu ortaya çıkardı. Ancak fiberlerden elde edilen düşük voltaj, kablosuz iletişim için düşük-güçlü elektronik arayüzlerin uygulanmasında zorluklar oluşturabilir. Bununla birlikte, bu çalışmada önerilen otonom sıcaklık sensörü, biyo-enerji jeneratörüne bağlı özel olarak seçilmiş bir depolama kapasitörünü kullanır ve yakın mesafeden (10 mm) harici bir alıcıyla iletişim kurabilir.
Bu sıcaklık sensörü, kalibre edildikten sonra, oda sıcaklığından biyolojik olarak ilgili sıcaklıklara (30 dereceden 50 dereceye kadar) kadar olan aralıkta 160 Hz bant genişliğinde sıcaklık verilerini iletir. Gelecekteki minyatürleştirme, daha yüksek-frekanslı sıcaklık algılamayı mümkün kılabilir, ancak bu, parazit dirençlerini ve daha fazla enerji kaybını en aza indirmek için elektronik devrenin enerji verimliliğinin dikkatli bir şekilde tasarlanmasını gerektirir.
Sıcaklık Sensörü Özellikleri
Özetle araştırmacılar, küçük-ölçekli biyolojik-gömülü uygulamalar için enerji kaynağı olarak biyolojik hücrelerin potansiyelini vurguladılar. Canlı hücrelerin-özellikle hayvan hücrelerinin (kas lifleri)-işlevlerinden yararlanılarak, kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüştürülebilir ve böylece kendi kendine güç sağlayan biyo-gömülü sensörlerin geliştirilmesi mümkün olur. Şarj edilebilir piller ve kinetik enerji toplama teknolojileriyle karşılaştırıldığında bu çözüm, farklı avantajlar sunarak biyo{8}}gömülü elektroniklerin biyolojik sistemlere gelecekte entegrasyonunun önünü açıyor. Bu teknoloji, canlı organizmalardaki biyolojik hücrelerle doğrudan etkileşime girebilecek bir biyo{10}}otonom sensör sınıfı oluşturma konusunda umut vaat ediyor. Bu alanda daha fazla araştırma ve geliştirme yapılması, enerji toplama tekniklerindeki ilerlemelere ve biyo-gömülü elektroniklerin evrimine katkıda bulunacaktır.