Avui dia, els sensors autònoms i{0}}autoalimentats s'apliquen en diversos camps, com ara l'Internet de les coses (IoT), l'automatització industrial, les ciutats intel·ligents i el monitoratge de la salut estructural (SHM). En aquest marc, la investigació acadèmica ha estat pionera en solucions sostenibles i circulars per satisfer les demandes d'energia dels dispositius electrònics en miniatura.
Segons MEMS Consulting, investigadors de la Universitat de Perusa, Itàlia, han proposat recentment un mètode nou per a la mesura remota de la temperatura de les cèl·lules biològiques i el seu entorn. Aquest enfocament utilitza l'energia elèctrica recollida d'una sola fibra muscular de lletja. Un circuit RLC optimitzat està incrustat a la cèl·lula, on el condensador serveix tant com a unitat d'emmagatzematge d'energia i com a sensor de temperatura, aprofitant la seva sensibilitat tèrmica inherent. Les dades experimentals van confirmar que el sistema desenvolupat pot transmetre la temperatura sense fil mitjançant l'energia recollida de la membrana cel·lular i funciona dins del rang biològicament rellevant (30 graus a 50 graus). Aquest sensor de temperatura-autoalimentat té potencial per millorar la detecció biomèdica i el control remot no-de la temperatura. Els resultats de la investigació es van publicar a la revista Nano Energy sota el títol "Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells".
En aquest treball, els investigadors van considerar que les fibres musculars poden maximitzar la diferència de potencial de membrana, ja que el seu potencial de repòs pot arribar a -90 mV. Van explorar l'ús del potencial de membrana de les fibres musculars de l'únic per avaluar la viabilitat d'implementar la tecnologia de biosensor auto-alimentada. Es van utilitzar simulacions preliminars de LTspice per dissenyar un sistema de comunicació sense fil capaç de mesurar el paràmetre biològic de la temperatura d'interès. Amb aquesta finalitat, els investigadors van modelar i optimitzar un circuit RLC la freqüència d'oscil·lació del qual varia amb la temperatura cel·lular. Això va permetre la fabricació i prova de sensors de temperatura alimentats directament per fibres musculars soles en diverses condicions experimentals, permetent avaluar la seva eficiència i fiabilitat globals.
Circuit generador bioelèctric i captació d'energia
Mitjançant la configuració experimental dels investigadors, es poden aprofitar les variacions del condensador C1 per utilitzar la freqüència d'oscil·lació amortida a diferents temperatures. Atès que les fibres del múscul esquelètic estan presents a tot el cos dels mamífers, el mètode dels investigadors permet implantar un sensor de temperatura autoalimentat en qualsevol part del cos humà. Això facilita el seguiment i la comprensió de les fluctuacions de la temperatura intracel·lular, que poden tenir implicacions significatives per a diversos processos biològics-com ara la proliferació de tumors de mama malignes-o per integrar bio-robots per al lliurament de fàrmacs dirigits.
Configuració experimental
Els investigadors també van realitzar proves experimentals sobre l'energia generada per les cèl·lules biològiques. Van aïllar el múscul de lletja dels ratolins i van inserir un elèctrode intracel·lular en una sola fibra, demostrant la viabilitat de recollir directament energia elèctrica de la membrana cel·lular. Durant les proves, van recollir una tensió de -60 mV i 2 µJ d'energia elèctrica, que es va emmagatzemar en un condensador d'1 mF i, finalment, es va utilitzar per alimentar un dispositiu de detecció passiva. Els investigadors van demostrar que el múscul esquelètic funcionava encara millor que els oòcits utilitzats en estudis anteriors.
Càrrega d'un condensador mitjançant fibres musculars de lletja
Els investigadors van comparar els resultats experimentals amb un model de circuit RLC, revelant un bon acord entre les dades mesurades i les prediccions teòriques. Tanmateix, la baixa tensió recollida de les fibres pot suposar un repte per implementar interfícies electròniques de baixa potència-per a la comunicació sense fils. No obstant això, el sensor de temperatura autònom proposat en aquest estudi utilitza un condensador d'emmagatzematge seleccionat específicament connectat al generador de bio-energia i pot comunicar-se amb un receptor extern a poca distància (10 mm).
Aquest sensor de temperatura, un cop calibrat, transmet dades de temperatura a una amplada de banda de 160 Hz en el rang des de la temperatura ambient fins a les temperatures biològicament rellevants (30 graus a 50 graus). La miniaturització futura podria permetre la detecció de temperatura de freqüències més altes-, però això requereix dissenyar acuradament l'eficiència energètica del circuit electrònic per minimitzar les resistències paràsits i una major dissipació d'energia.
Característiques del sensor de temperatura
En resum, els investigadors han destacat el potencial de les cèl·lules biològiques com a fonts d'energia per a aplicacions bio-incrustades a -escala petita. Mitjançant l'aprofitament de les funcionalitats de les cèl·lules vives-especialment de les cèl·lules animals (fibres musculars)-l'energia química es pot convertir en energia elèctrica, la qual cosa permet el desenvolupament de sensors bio-incrustats d'auto-alimentació. En comparació amb les bateries recarregables i les tecnologies de recol·lecció d'energia cinètica, aquesta solució ofereix diferents avantatges i obre el camí per a la integració futura de l'electrònica bio-incrustada als sistemes biològics. Aquesta tecnologia és prometedora per establir una classe de sensors bio-autònoms capaços d'interaccionar directament amb cèl·lules biològiques dels organismes vius. La investigació i el desenvolupament posteriors en aquest camp contribuiran als avenços en les tècniques de recollida d'energia i a l'evolució de l'electrònica bio-incrustada.