如今，自主和自供電傳感器被應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、工業(yè)自動(dòng)化、智慧城市和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）等。在此框架下，學(xué)術(shù)研究引領(lǐng)了探索可持續(xù)和循環(huán)解決方案的道路，以滿足小型電子設(shè)備的電能需求。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，意大利佩魯賈大學(xué)（University of Perugia）的研究人員基于從單根比目魚肌纖維收集的電能的使用，提出了一種對(duì)生物細(xì)胞及其周圍環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的新方法。該方法采用了一個(gè)優(yōu)化的RLC電路，嵌入在細(xì)胞中，其中電容器可作為能量存儲(chǔ)單元，利用其固有的溫度敏感性，又可作為溫度傳感器。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，所開發(fā)的系統(tǒng)可以利用從細(xì)胞膜收集的能量來無(wú)線傳輸溫度，并且可以在生物活性相關(guān)的范圍內(nèi)（30°C至50°C）使用。這種自供電溫度傳感器具有改善生物醫(yī)學(xué)傳感和非侵入式遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的潛力。相關(guān)研究成果以“Self-Powered Temperature Sensors Harnessing Membrane Potential of Living Cells”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上。

在這項(xiàng)工作中，研究人員考慮到肌纖維可以最大化質(zhì)膜的電勢(shì)差，因?yàn)槠潇o息電位可以達(dá)到-90 mV。研究人員探索了利用比目魚肌纖維的質(zhì)膜電位來評(píng)估自供電生物傳感器技術(shù)實(shí)施的可能性。初步的LTspice仿真用于設(shè)計(jì)能夠測(cè)量感興趣的生物參數(shù)（即溫度）的無(wú)線通信系統(tǒng)。為此，研究人員對(duì)RLC電路進(jìn)行了建模和優(yōu)化，該電路的振蕩頻率隨細(xì)胞溫度的變化而變化。這使研究人員能夠在不同的實(shí)驗(yàn)條件下制造和測(cè)試由比目魚肌纖維直接供電的溫度傳感器，研究其整體效率和可靠性。

生物能發(fā)電機(jī)和能量提取電路

通過研究人員的實(shí)驗(yàn)裝置，可以利用電容C1的變化，從而利用不同溫度下振蕩的阻尼頻率。由于骨骼肌纖維存在于哺乳動(dòng)物身體的每個(gè)部位，利用研究人員的方法，一個(gè)自供電的溫度傳感器可以植入人體的任何地方。這有助于監(jiān)測(cè)和了解細(xì)胞內(nèi)的溫度變化，這可能對(duì)各種生物過程具有重要意義，例如惡性乳腺腫瘤的增殖，或用于靶向給藥的生物機(jī)器人的集成。

實(shí)驗(yàn)裝置

研究人員還對(duì)生物細(xì)胞產(chǎn)生的能量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。研究人員從小鼠體內(nèi)分離出比目魚肌，并在一根纖維內(nèi)插入一個(gè)細(xì)胞內(nèi)電極，證明了直接從細(xì)胞膜收集電能的可行性。在測(cè)試過程中收集-60 mV電壓和2 μJ電能，存儲(chǔ)在1 mF的電容上，最后用于實(shí)現(xiàn)無(wú)源傳感裝置。研究人員證明了骨骼肌的表現(xiàn)甚至比之前研究中使用的卵母細(xì)胞更好。

通過比目魚肌纖維為電容器充電

研究人員將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與RLC電路的模型進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論預(yù)測(cè)吻合較好。然而，從纖維中獲得的低電壓可能對(duì)無(wú)線通信的低功率電子接口的實(shí)現(xiàn)構(gòu)成挑戰(zhàn)。盡管如此，這項(xiàng)研究中提出的自主溫度傳感器使用了專門選擇的連接到生物能發(fā)電機(jī)的存儲(chǔ)電容器，并且它可以在近距離（10 mm）內(nèi)與外部接收器通信。

這種溫度傳感器經(jīng)過校準(zhǔn)，能夠以160 Hz的頻率帶寬在室溫和生物活性相關(guān)的溫度范圍（從30 °C到50 °C）內(nèi)傳輸溫度。在未來，該系統(tǒng)還可以小型化，以更高的頻率進(jìn)行溫度傳感，但必須正確設(shè)計(jì)電子電路的能效，以避免寄生電阻和進(jìn)一步的能量耗散。

溫度傳感器特性

總而言之，研究人員強(qiáng)調(diào)了生物細(xì)胞作為小規(guī)模生物嵌入式應(yīng)用的能源的潛力。通過利用活細(xì)胞，特別是動(dòng)物細(xì)胞（肌肉纖維）的功能，可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，從而開發(fā)出自供電的生物嵌入式傳感器。與可充電電池和動(dòng)能收集技術(shù)相比，這種解決方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為未來將生物嵌入式電子設(shè)備集成到生物系統(tǒng)中鋪平了道路。這項(xiàng)技術(shù)有可能建立一類能夠直接與活體內(nèi)的生物細(xì)胞交互的生物能量自主傳感器。該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和發(fā)展將有助于能量收集技術(shù)的進(jìn)步和生物嵌入式電子技術(shù)的發(fā)展。

審核編輯：劉清