Zasilane energią słoneczną przenośne czujniki potu opracowane w Caltech wykorzystują perowskitowe ogniwa słoneczne do pozyskiwania energii, umożliwiając ciągłe monitorowanie stanu zdrowia w warunkach wewnętrznych.
Czujniki te mogą śledzić wiele biomarkerów, co stanowi nieinwazyjne narzędzie do ekonomicznego zarządzania różnymi schorzeniami.
Poręczne czujniki potu
Pot, podobnie jak krew, zawiera cenne informacje zdrowotne, ale jego gromadzenie jest znacznie mniej inwazyjne. Koncepcja ta napędza rozwój przenośnych czujników potu stworzonych przez Wei Gao, adiunkta inżynierii medycznej w Caltech, badacza z Heritage Medical Research Institute oraz Ronalda i JoAnne Willens Scholar.
W ciągu ostatnich pięciu lat Gao ulepszył te urządzenia do noszenia, aby wykrywały szeroką gamę wskaźników zdrowotnych, w tym sole, cukry, mocz kwas, aminokwasywitaminy, a nawet złożone cząsteczki, takie jak białko C-reaktywne, które sygnalizują pewne zagrożenia dla zdrowia. W swojej najnowszej innowacji, opracowanej we współpracy z zespołem Martina Kaltenbrunnera z Uniwersytetu Johannesa Keplera w Linzu w Austrii, Gao wyposażył te czujniki w elastyczne ogniwo słoneczne umożliwiające ciągłą pracę bez baterii.
Postęp w technologii urządzeń do noszenia zasilanych energią słoneczną
Ogniwo słoneczne używane w laboratorium Gao jest wykonane z kryształu perowskitu – materiału o tej samej strukturze chemicznej, którą po raz pierwszy znaleziono w mineralnym tlenku wapnia i tytanu. Perowskit przykuł uwagę twórców ogniw słonecznych z kilku powodów: po pierwsze, jest tańszy w produkcji niż krzem (podstawowy materiał stosowany w ogniwach słonecznych od lat pięćdziesiątych XX wieku), który musi być wysoce oczyszczany w wielu procesach. Po drugie, perowskit jest aż 1000 razy cieńszy niż warstwy krzemowych ogniw słonecznych, co czyni je „quasi-2D” w terminologii Gao. Po trzecie, perowskit można dostosować do spektrum różnych rodzajów oświetlenia, od światła słonecznego na zewnątrz po różne formy oświetlenia w pomieszczeniach. Wreszcie, co najbardziej kusi pionierów energii słonecznej, perowskitowe ogniwa słoneczne osiągają wyższą efektywność konwersji mocy (PCE) niż krzem, co oznacza, że mogą przekształcić większą część otrzymywanego światła w użyteczną energię elektryczną.
Zwiększona wydajność perowskitowych ogniw słonecznych
Krzemowe ogniwa słoneczne osiągnęły poziom PCE w zakresie 26–27 procent, chociaż przy regularnym użytkowaniu zakres ten waha się między 18 a 22 procent. Z kolei elastyczne perowskitowe ogniwo słoneczne (FPSC) znajdujące się w noszonym na ciele czujniku potu Gao ma rekordowy współczynnik PCE przekraczający 31 procent przy oświetleniu światłem w pomieszczeniach. „Nie chcemy wykorzystywać silnego światła słonecznego wyłącznie do zasilania naszych urządzeń do noszenia” – wyjaśnia Gao. „Dbamy o bardziej rzeczywiste warunki, w tym o normalne oświetlenie biurowe i domowe. Wiele ogniw słonecznych charakteryzuje się wysoką wydajnością przy silnym nasłonecznieniu, ale nie przy słabym oświetleniu w pomieszczeniach.” Gao twierdzi, że FPSC czujnika potu szczególnie dobrze nadaje się do oświetlenia wnętrz, ponieważ „reakcja widmowa FPSC dobrze pasuje do powszechnego widma emisji oświetlenia wewnętrznego”.
Przejście na energię słoneczną w urządzeniach do noszenia
Poprzednie wersje czujników potu Gao do noszenia były zasilane akumulatorami litowo-jonowymi, które były nieporęczne i wymagały ładowania z zewnętrznego źródła energii elektrycznej. Poszukiwanie lżejszego, bardziej odnawialnego źródła energii elektrycznej do zasilania tych urządzeń o dużym zapotrzebowaniu skłoniło laboratorium Gao do podjęcia próby wykorzystania krzemowych ogniw słonecznych, które okazały się zbyt sztywne, nieefektywne i zależne od silnych warunków oświetleniowych. Eksperymentowali także z pozyskiwaniem energii ze związków chemicznych zawartych w ludzkim pocie (łatwo dostępne biopaliwo) i ruchu ciała, ale odkryli, że są one zbyt niestabilne lub wymagają zbyt dużego wysiłku ze strony użytkownika.
Ciągłe monitorowanie stanu zdrowia za pomocą nowych czujników
Zastosowanie FPSC umożliwiło Gao stworzenie czujników potu, które można nosić przez 12 godzin dziennie, zapewniając ciągłe monitorowanie pH, soli, glukozy i temperatury oraz okresowe monitorowanie (co pięć do 10 minut) szybkości pocenia. Wszystko to odbywa się bez baterii i specjalnie dedykowanego źródła światła. Co więcej, ponieważ źródło zasilania stało się lżejsze i mniej nieporęczne, w urządzeniu do noszenia znalazło się miejsce na dodatkowe detektory umożliwiające jednoczesne monitorowanie większej liczby biomarkerów.
Projekt i funkcjonalność najnowszego czujnika do noszenia
Ten nowy, przenośny czujnik potu, podobnie jak jego poprzednicy, jest złożony w sposób przypominający origami, z indywidualnymi warstwami przeznaczonymi do różnych procesów. Czujnik składa się z czterech głównych oddziałujących ze sobą elementów. Pierwsza poświęcona jest zarządzaniu energią – wydatkowaniu energii elektrycznej zebranej przez ogniwo słoneczne. Drugi umożliwia jontoforezawywołanie pocenia się bez wykonywania ćwiczeń lub narażania użytkownika na działanie wysokiej temperatury. W badaniu Gao jonoforezę wykonywano co trzy godziny, aby zapewnić wystarczającą ilość potu do ciągłego monitorowania obserwowanych biomarkerów. Trzeci umożliwia elektrochemiczny pomiar różnych substancji w pocie. Czwarty zarządza przetwarzaniem danych i komunikacją bezprzewodową, co umożliwia komunikację czujnika z aplikacją na telefon komórkowy w celu wyświetlania bieżących wyników monitorowania czujnika.
Potencjał ekonomiczny i kliniczny czujników potu zasilanych energią słoneczną
W pełni zmontowany czujnik ma wymiary 20 x 27 x 4 milimetry i jest w stanie wytrzymać obciążenia mechaniczne związane z noszeniem na ciele. „Większość elementów czujnika potu, np. elektronika i FPSC, nadaje się do ponownego użycia” – dodaje Gao. „Jedynym wyjątkiem jest plaster czujnika, który jest jednorazowy i można go masowo produkować niewielkim kosztem przy użyciu druku atramentowego”. Te plastry z czujnikami można również dostosować do tego, jakie substancje użytkownik chce zmierzyć w swoim organizmie.
Szersze implikacje dla monitorowania stanu zdrowia
Gdy te zasilane energią słoneczną czujniki potu zostaną wprowadzone do użytku, będą w stanie zmierzyć znacznie więcej niż jakikolwiek inny monitor kondycji lub zdrowia obecnie. Można je na przykład stosować w leczeniu cukrzycy (badania wykazały, że glukoza w pocie jest ściśle porównywalna z glukozą we krwi) oraz do wykrywania szeregu schorzeń, takich jak choroby serca, mukowiscydoza i dna moczanowa. Ponieważ są nieinwazyjne i umożliwiają wykonywanie wielu pomiarów w krótkich okresach czasu, czujniki te mogą określić poziom bazowy danej osoby pod kątem substancji takich jak kortyzol, hormony lub metabolity różnych składników odżywczych i leków. Gdy znane będą podstawowe poziomy takich substancji, przyszłe odchylenia od nich zapewnią skuteczniejszą metodę diagnozy niż kiedykolwiek byłoby to możliwe w przypadku pojedynczego pobrania krwi. A ponieważ czujniki są stosunkowo niedrogie, istnieje nadzieja, że mogą stać się doskonałym narzędziem diagnostycznym na całym świecie, w tym w krajach rozwijających się.
Odniesienie: „Autonomiczny, przenośny biosensor zasilany perowskitowym ogniwem słonecznym” autorstwa Jihong Min, Stepan Demchyshyn, Juliane R. Sempionatto, Yu Song, Bekele Hailegnaw, Changhao Xu, Yiran Yang, Samuel Solomon, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, Julia Felicitas Schwarz, Clemens Schwarzinger, Markus Clark Scharber, Ehsan Shirzaei Sani, Martin Kaltenbrunner i Wei Gao, 20 lipca 2023 r., Elektronika natury.
DOI: 10.1038/s41928-023-00996-y
Badania wsparł m.in Narodowe Instytuty ZdrowiaBiuro Badań Morskich na rzecz Zdrowia Kosmicznego, Narodowa Fundacja Nauki i grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych dla początkujących naukowców. Współautorami są Jihong Min, Juliane R. Sempionatto, Yu Song, Changhao Xu, Yiran Yang, Samuel Solomon i Ehsan Shirzaei Sani z Caltech oraz Stepan Demchyshyn, Bekele Hailegnaw, Christoph Putz, Lukas Lehner, Julia Felicitas Schwarz, Clemens Schwarzinger , Markus Scharber i Martin Kaltenbrunner z Johannes Uniwersytet Keplera w Linzu.
