Saat ini, sensor otonom dan{0}}bertenaga mandiri diterapkan di berbagai bidang seperti Internet of Things (IoT), otomasi industri, kota pintar, dan pemantauan kesehatan struktural (SHM). Dalam kerangka ini, penelitian akademis telah memelopori solusi berkelanjutan dan sirkular untuk memenuhi kebutuhan daya perangkat elektronik mini.
Menurut MEMS Consulting, para peneliti di Universitas Perugia, Italia, baru-baru ini mengusulkan metode baru untuk pengukuran suhu jarak jauh sel biologis dan lingkungan sekitarnya. Pendekatan ini memanfaatkan energi listrik yang diambil dari satu serat otot flounder. Sirkuit RLC yang dioptimalkan tertanam di dalam sel, di mana kapasitor berfungsi sebagai unit penyimpan energi dan sensor suhu, sehingga meningkatkan sensitivitas termal bawaannya. Data eksperimental menegaskan bahwa sistem yang dikembangkan dapat mengirimkan suhu secara nirkabel menggunakan energi yang diambil dari membran sel dan beroperasi dalam kisaran yang relevan secara biologis (30 derajat hingga 50 derajat). Sensor suhu bertenaga mandiri ini memiliki potensi untuk meningkatkan penginderaan biomedis dan pemantauan suhu jarak jauh yang non-invasif. Temuan penelitian ini dipublikasikan di jurnal Nano Energy dengan judul "Self-Sensor Suhu Bertenaga Mandiri yang Memanfaatkan Potensi Membran Sel Hidup".
Dalam penelitian ini, para peneliti menganggap bahwa serat otot dapat memaksimalkan perbedaan potensial membran, karena potensial istirahatnya dapat mencapai -90 mV. Mereka mengeksplorasi pemanfaatan potensi membran serat otot tunggal untuk menilai kelayakan penerapan teknologi biosensor bertenaga mandiri. Simulasi LTspice awal digunakan untuk merancang sistem komunikasi nirkabel yang mampu mengukur parameter biologis suhu bunga. Untuk tujuan ini, para peneliti memodelkan dan mengoptimalkan rangkaian RLC yang frekuensi osilasinya bervariasi sesuai suhu sel. Hal ini memungkinkan pembuatan dan pengujian sensor suhu yang ditenagai langsung oleh serat otot tunggal dalam kondisi eksperimental yang beragam, sehingga memungkinkan evaluasi efisiensi dan keandalan secara keseluruhan.
Generator Bioelektrik dan Sirkuit Pemanenan Energi
Melalui pengaturan eksperimental para peneliti, variasi kapasitor C1 dapat dimanfaatkan untuk memanfaatkan frekuensi osilasi teredam pada suhu yang berbeda. Karena serat otot rangka terdapat di seluruh tubuh mamalia, metode para peneliti memungkinkan sensor suhu bertenaga mandiri untuk ditanamkan di mana saja di tubuh manusia. Hal ini memfasilitasi pemantauan dan pemahaman fluktuasi suhu intraseluler, yang mungkin memiliki implikasi signifikan terhadap berbagai proses biologis-seperti proliferasi tumor payudara ganas-atau untuk mengintegrasikan bio-robot untuk pemberian obat yang ditargetkan.
Pengaturan Eksperimental
Para peneliti juga melakukan uji eksperimental terhadap energi yang dihasilkan oleh sel biologis. Mereka mengisolasi otot flounder dari tikus dan memasukkan elektroda intraseluler ke dalam serat tunggal, menunjukkan kelayakan untuk memanen energi listrik secara langsung dari membran sel. Selama pengujian, mereka mengumpulkan tegangan -60 mV dan energi listrik 2 µJ, yang disimpan dalam kapasitor 1 mF dan akhirnya digunakan untuk memberi daya pada perangkat penginderaan pasif. Para peneliti menunjukkan bahwa otot rangka bekerja lebih baik daripada oosit yang digunakan dalam penelitian sebelumnya.
Mengisi daya kapasitor melalui serat otot flounder
Para peneliti membandingkan hasil eksperimen dengan model rangkaian RLC, menunjukkan kesesuaian yang baik antara data terukur dan prediksi teoretis. Namun, tegangan rendah yang dihasilkan dari serat dapat menimbulkan tantangan dalam penerapan antarmuka elektronik berdaya rendah untuk komunikasi nirkabel. Meskipun demikian, sensor suhu otonom yang diusulkan dalam penelitian ini menggunakan kapasitor penyimpanan yang dipilih secara khusus dan dihubungkan ke generator bio-energi dan dapat berkomunikasi dengan penerima eksternal dalam jarak dekat (10 mm).
Sensor suhu ini, setelah dikalibrasi, mentransmisikan data suhu pada bandwidth 160 Hz dalam rentang suhu ruangan hingga suhu yang relevan secara biologis (30 derajat hingga 50 derajat). Miniaturisasi di masa depan dapat memungkinkan-penginderaan suhu dengan frekuensi lebih tinggi, namun hal ini memerlukan perancangan efisiensi energi sirkuit elektronik secara cermat untuk meminimalkan resistensi parasit dan pemborosan energi lebih lanjut.
Karakteristik Sensor Suhu
Singkatnya, para peneliti telah menyoroti potensi sel biologis sebagai sumber energi untuk aplikasi-bio-skala kecil. Dengan memanfaatkan fungsi sel hidup-khususnya sel hewan (serat otot)-energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik, sehingga memungkinkan pengembangan sensor tertanam-bertenaga mandiri. Dibandingkan dengan baterai yang dapat diisi ulang dan teknologi pemanenan energi kinetik, solusi ini menawarkan keunggulan tersendiri, membuka jalan bagi integrasi perangkat elektronik yang tertanam secara biologis ke dalam sistem biologis di masa depan. Teknologi ini menjanjikan untuk membangun kelas sensor{10}biootonom yang mampu berinteraksi langsung dengan sel biologis dalam organisme hidup. Penelitian dan pengembangan lebih lanjut dalam bidang ini akan berkontribusi terhadap kemajuan dalam teknik pengumpulan energi dan evolusi elektronik yang tertanam dalam bio.