سنسورهای پوشیدنی عرق
عرق، مانند خون، حاوی اطلاعات ارزشمندی برای سلامتی است اما جمع آوری آن بسیار کمتر تهاجمی است. این مفهوم باعث توسعه حسگرهای عرق پوشیدنی می شود که توسط Wei Gao، استادیار مهندسی پزشکی Caltech، محقق موسسه تحقیقات پزشکی Heritage، و Ronald and JoAnne Willens Scholar ایجاد شده است.
طی پنج سال گذشته، گائو این پوشیدنی‌ها را برای شناسایی طیف گسترده‌ای از شاخص‌های سلامت، از جمله نمک‌ها، قندها، اسید اوریک، اسیدهای آمینه، ویتامین‌ها و حتی مولکول‌های پیچیده‌ای مانند پروتئین واکنش‌گر C که نشانه‌ای از خطرات سلامتی خاص است، ارتقا داده است.
گائو در جدیدترین نوآوری خود که با همکاری تیم مارتین کالتنبرونر در دانشگاه یوهانس کپلر لینز در اتریش توسعه یافته است، این حسگرها را به یک سلول خورشیدی انعطاف پذیر برای عملکرد مداوم و بدون باتری مجهز کرده است.
سنسور پوشیدنی انرژی خورشیدی
سلول خورشیدی مورد استفاده در آزمایشگاه گائو از کریستال پروسکایت ساخته شده است، ماده ای که ساختار شیمیایی را برای اولین بار در اکسید تیتانیوم کلسیم معدنی یافت شد. پروسکایت به چند دلیل توجه توسعه دهندگان سلول های خورشیدی را به خود جلب کرده است:
- اول اینکه ساخت آن از سیلیکون (ماده اولیه مورد استفاده در سلول های خورشیدی از دهه 1950) ارزان تر است، که باید از طریق فرآیندهای متعدد به شدت خالص شود.
- دوم، پروسکایت 1000 برابر نازک‌تر از لایه‌های سلول‌های خورشیدی سیلیکونی است که به تعبیر گائو آنها را «شبه دوبعدی» می‌کند.
- سوم، پروسکایت را می توان با طیف های مختلف نور، از نور خورشید در فضای باز تا اشکال مختلف نورپردازی داخلی، تنظیم کرد.
- در نهایت، و از همه جذاب‌تر برای پیشگامان انرژی خورشیدی، سلول‌های خورشیدی پروسکایت بازده تبدیل توان بالاتری (PCE) نسبت به سیلیکون دارند، به این معنی که می‌توانند نسبت بیشتری از نور دریافتی خود را به برق قابل استفاده تبدیل کنند.
افزایش کارایی سلول های خورشیدی پروسکایت
سلول های خورشیدی سیلیکونی به سطوح PCE رسیده اند که از 26 تا 27 درصد متغیر است، اگرچه در استفاده معمولی این محدوده بین 18 تا 22 درصد است. در مقابل، سلول خورشیدی پروسکایتی منعطف (FPSC) روی سنسور عرق پوشیدنی Gao دارای PCE رکوردشکنی است که بیش از 31 درصد در زیر نور داخلی است. گائو توضیح می‌دهد: «ما نمی‌خواهیم فقط از نور شدید خورشید برای تامین انرژی ابزارهای پوشیدنی خود استفاده کنیم. ما به شرایط واقعی تری از جمله روشنایی معمولی دفتر و خانه اهمیت می دهیم. بسیاری از سلول‌های خورشیدی در نور شدید خورشید کارایی بالایی دارند، اما در شرایط روشنایی ضعیف داخلی، کارایی بالایی ندارند. گائو می‌گوید FPSC روی حسگر تعریق به‌ویژه برای روشنایی داخلی مناسب است، زیرا«پاسخ طیفی FPSC به خوبی با طیف انتشار روشنایی داخلی داخلی مطابقت دارد.»
انتقال به انرژی خورشیدی در ابزارهای پوشیدنی
تکرارهای قبلی حسگرهای عرق پوشیدنی گائو با باتری های لیتیوم یونی کار می کردند که حجیم بودند و باید با یک منبع خارجی برق شارژ می شدند. جست‌وجوی منبع برق سبک‌تر و تجدیدپذیرتر برای تامین انرژی این دستگاه‌های پرتقاضا، آزمایشگاه گائو را به استفاده از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سوق داد که به نظر آنها بسیار سفت، ناکارآمد و متکی به شرایط نوری قوی هستند. آنها همچنین با برداشت انرژی از مواد شیمیایی موجود در عرق انسان (سوخت زیستی به راحتی در دسترس) و حرکت بدن آزمایش کردند اما دریافتند که این مواد بسیار ناپایدار هستند یا نیاز به تلاش بیش از حد از طرف پوشنده دارند.
نظارت مداوم بر سلامت با حسگرهای جدید
استفاده از FPSC به Gao اجازه می دهد تا حسگرهای عرق ایجاد کند که می تواند به مدت 12 ساعت در روز از آن استفاده کند و نظارت مداوم بر pH، نمک، گلوکز و دما و نظارت دوره ای (هر 5 تا 10 دقیقه) میزان تعریق را فراهم می کند. همه اینها بدون باتری یا منبع نور اختصاصی انجام می شود. علاوه بر این، از آنجایی که منبع تغذیه سبک تر و دست و پا گیرتر شده است، این ابزار پوشیدنی فضایی برای آشکارسازهای اضافی برای نظارت بر تعداد بیشتری از نشانگرهای زیستی به طور همزمان دارد.
طراحی و عملکرد جدیدترین سنسور پوشیدنی
این سنسور عرق پوشیدنی جدید، مانند پیشینیان خود، به روشی شبیه اوریگامی مونتاژ شده است، با لایه های جداگانه ای که به فرآیندهای مختلف اختصاص داده شده است. این سنسور دارای چهار جزء اصلی در تعامل است. اولین مورد به مدیریت انرژی اختصاص داده شده است - پرداخت برق برداشت شده توسط سلول خورشیدی. دومی، یونتوفورز ، القای تعریق را بدون هیچ گونه ورزش یا قرار گرفتن در معرض گرمای زیاد مورد نیاز پوشنده را امکان پذیر می کند. در مطالعه گائو، یونتوفورز هر سه ساعت انجام شد تا اطمینان حاصل شود که عرق کافی برای نظارت مداوم بر نشانگرهای زیستی تحت مشاهده وجود دارد. سومی امکان اندازه گیری الکتروشیمیایی مواد مختلف در عرق را فراهم می کند. چهارم پردازش داده ها و ارتباطات بی سیم را مدیریت می کند که به حسگر اجازه می دهد با یک برنامه تلفن همراه ارتباط برقرار کند تا نتایج مداوم نظارت سنسور را نمایش دهد.
پتانسیل اقتصادی و بالینی سنسورهای عرق خورشیدی
این سنسور کاملاً مونتاژ شده است و ابعاد آن 20 × 27 × 4 میلی متر است و می تواند استرس مکانیکی ناشی از پوشیدن روی بدنه را تحمل کند. گائو می افزاید: «بیشتر عناصر حسگر عرق، مانند لوازم الکترونیکی و FPSC، قابل استفاده مجدد هستند. تنها استثنا پچ حسگر است که یکبار مصرف است و می توان آن را با هزینه کم با استفاده از چاپ جوهرافشان تولید کرد. این وصله‌های حسگر را می‌توان با توجه به موادی که کاربر می‌خواهد در بدن خود اندازه‌گیری کند، سفارشی‌سازی کرد.
پیامدهای گسترده تر برای پایش سلامت
از آنجایی که این حسگرهای عرق با انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرند، می توانند بسیار بیشتر از هر ردیاب تناسب اندام یا سلامتی در حال حاضر اندازه گیری کنند. به عنوان مثال، آنها می توانند برای مدیریت دیابت (مطالعات نشان داده اند که گلوکز در عرق با گلوکز خون مطابقت دارد) و برای تشخیص طیف وسیعی از شرایط مانند بیماری قلبی، فیبروز کیستیک و نقرس استفاده می شود. از آنجایی که آنها غیرتهاجمی هستند و می توانند چندین اندازه گیری را در دوره های زمانی کوتاه انجام دهند، این حسگرها می توانند سطح پایه افراد را برای موادی مانند کورتیزول، هورمون ها یا متابولیت های مواد مغذی و داروها تشخیص دهند. هنگامی که سطوح پایه برای چنین موادی مشخص شد، انحرافات آینده از این مواد، ابزار تشخیصی مؤثرتری نسبت به یک خون‌گیری منفرد را فراهم می‌کند. و از آنجایی که حسگرها نسبتاً ارزان هستند، امید این است که بتوانند ابزار تشخیصی عالی در سراسر جهان، از جمله در کشورهای در حال توسعه باشند.
مرجع: "یک حسگر زیستی پوشیدنی خودمختار با یک سلول خورشیدی پروسکایتی" توسط جیهونگ مین، استپان دمچیشین، جولیان آر سمپیوناتو، یو سانگ، بکله هایلگناو، چانگهائو ژو، یران یانگ، ساموئل سولومون، کریستوف پوتز، لوکاس ای. لهنر، فلیسیتاس شوارتز، کلمنس شوارتزینگر، مارکوس کلارک چاربر، احسان شیرزایی ثانی، مارتین کالتن برونر و وی گائو، 20 ژوئیه 2023، Nature Electronics .
DOI: 10.1038/s41928-023-00996-y
این تحقیق توسط مؤسسه ملی بهداشت ، دفتر تحقیقات نیروی دریایی برای سلامت فضایی، بنیاد ملی علوم، و یک کمک هزینه شروع شورای تحقیقات اروپا پشتیبانی شد . نویسندگان همکار عبارتند از Jihong Min، Juliane R. Sempionatto، Yu Song، Changhao Xu، Yiran Yang، Samuel Solomon، و Ehsan Shirzaei Sani از Caltech، و Stepan Demchyshyn، Bekele Hailegnaw، Christoph Putz، Lukas Lehner، Julia Schwarz Felicitas. ، مارکوس چاربر و مارتین کالتن برونر از دانشگاه یوهانس کپلر لینز.