ردیاب جدید سلامت کالتک با عرق و نور خورشید کار می‌کند
ردیاب‌های پوشیدنی حسگر عرق که در کالتک توسعه یافته‌اند، از سلول‌های خورشیدی پروسکایت برای تأمین انرژی خود استفاده می‌کنند و این امکان را می‌دهند که به طور مداوم سلامت را در شرایط داخلی زیر نظر بگیرند.
سلول خورشیدی پروسکایت یکی از نوآوری‌های جذاب در فناوری انرژی‌های تجدیدپذیر است! این نوع سلول‌ها از ماده‌ای به نام پروسکایت (معمولاً ترکیبات مبتنی بر سرب و هالوژن‌ها) استفاده می‌کنند که خاصیت جذب نور را به خوبی دارد.
این حسگرها قادرند چندین بیومارکر را ردیابی کنند و ابزاری غیرتهاجمی برای مدیریت شرایط مختلف سلامتی به صورت مقرون به صرفه ارائه دهند.
بیومارکر (Biomarker) به شاخص‌ها یا نشانه‌های بیولوژیکی گفته می‌شود که می‌توانند وضعیت سلامت یا بیماری یک فرد را نشان دهند.
حسگرهای عرق پوشیدنی
عرق، مانند خون، اطلاعات ارزشمندی درباره سلامت ارائه می‌دهد، اما جمع آوری آن بسیار کمتر تهاجمی است. این مفهوم محرک توسعه حسگرهای عرق پوشیدنی است که توسط وی گائو، استاد کمکی مهندسی پزشکی کالتک، محقق موسسه تحقیقات پزشکی هریتیج، و دانشجوی رونالد و جوان ویلنس، طراحی شده است.
در طی پنج سال گذشته، گائو این حسگرها را به‌گونه‌ای بهبود داده است که طیف وسیعی از نشانگرهای سلامتی از جمله نمک‌ها، قندها، اسید اوریک، آمینواسیدها، ویتامین‌ها و حتی مولکول‌های پیچیده مانند پروتئین C-reactive که سیگنال‌دهنده ریسک‌های خاص سلامت است، را شناسایی کنند. در آخرین نوآوری خود، که در همکاری با تیم مارتین کالتنبرونر از دانشگاه یوهانس کپلر لینز در اتریش توسعه یافته، گائو این حسگرها را با یک سلول خورشیدی انعطاف‌پذیر مجهز کرده است تا بتوانند بدون باتری به طور مداوم کار کنند.
پیشرفت‌ها در فناوری پوشیدنی با انرژی خورشیدی
سلول خورشیدی مورد استفاده در آزمایشگاه گائو از کریستال پروسکایت ساخته شده است، ماده‌ای که ساختار شیمیایی آن برای اولین بار در مینرال اکسید کلسیم تیتانیوم پیدا شد. پروسکایت به چندین دلیل توجه توسعه‌دهندگان سلول‌های خورشیدی را جلب کرده است: اول، تولید آن نسبت به سیلیکون (ماده اصلی استفاده شده در سلول‌های خورشیدی از دهه 1950) ارزان‌تر است، که باید از طریق چندین فرآیند به‌طور کامل تصفیه شود. دوم، پروسکایت تا ۱۰۰۰ برابر نازک‌تر از لایه‌های سلول خورشیدی سیلیکون است و در اصطلاح گائو، این سلول‌ها «نیمه دوبعدی» به حساب می‌آیند. سوم، پروسکایت می‌تواند به طیف‌های مختلف نور، از نور خورشید خارج گرفته تا انواع نورهای داخلی، تنظیم شود. در نهایت و جذاب‌تر برای پیشگامان انرژی خورشیدی، سلول‌های خورشیدی پروسکایت، بازدهی تبدیل توان بالاتری (PCE) نسبت به سیلیکون دارند، که به این معنی است که می‌توانند نسبت بیشتری از نوری که دریافت می‌کنند را به برق قابل استفاده تبدیل کنند.
افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی پروسکایت
سلول‌های خورشیدی سیلیکون به سطوح PCE بین ۲۶ تا ۲۷ درصد دست یافته‌اند، هرچند در استفاده عادی این مقدار بین ۱۸ تا ۲۲ درصد است. در مقابل، سلول خورشیدی پروسکایت انعطاف‌پذیر (FPSC) در حسگر عرق گائو به رکورد PCE بیش از ۳۱ درصد در نور داخلی دست یافته است. گائو توضیح می‌دهد: «ما نمی‌خواهیم فقط از نور خورشید قوی برای تأمین انرژی پوشیدنی‌هایمان استفاده کنیم. ما به شرایط واقعی زندگی، از جمله نور معمولی در دفتر و خانه اهمیت می‌دهیم. بسیاری از سلول‌های خورشیدی در نور مستقیم خورشید کارایی بالایی دارند اما در شرایط نور داخلی ضعیف خیر.» به گفته گائو، FPSC در حسگر عرق به‌طور خاص برای نور داخلی مناسب است، زیرا «پاسخ طیفی FPSC با طیف انتشار نور معمولی داخلی به‌خوبی مطابقت دارد.»
انتقال به انرژی خورشیدی در پوشیدنی‌ها
نسخه‌های قبلی سنسورهای عرق پوشیدنی گائو با باتری‌های لیتیوم-یونی تغذیه می‌شدند که حجیم بودند و نیاز به شارژ از منبع برقی خارجی داشتند. جستجو برای یک منبع انرژی سبک‌تر و تجدیدپذیر برای تأمین قدرت این دستگاه‌های با تقاضای بالا، آزمایشگاه گائو را به استفاده از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سوق داد، که مشخص شد این سلول‌ها بسیار سخت، ناکارآمد و وابسته به شرایط نوری قوی هستند. آن‌ها همچنین آزمایش‌هایی برای برداشت انرژی از مواد شیمیایی موجود در عرق انسان (یک سوخت زیستی در دسترس) و حرکات بدن انجام دادند اما دریافتند که این روش‌ها یا ناپایدار هستند یا نیاز به تلاش زیادی از سوی فرد دارند.
پایش مداوم سلامت با سنسورهای جدید
استفاده از FPSC به گائو این امکان را داد که سنسورهای عرقی بسازد که می‌توانند به مدت ۱۲ ساعت در روز پوشیده شوند و پایش مداوم pH، نمک، گلوکز و دما را فراهم کنند و همچنین پایش دوره‌ای (هر پنج تا ۱۰ دقیقه) نرخ عرق را انجام دهند. همه این‌ها بدون باتری یا منبع نوری اختصاصی انجام می‌شود. علاوه بر این، با سبک‌تر و کمتر حجیم شدن منبع انرژی، پوشیدنی فضای کافی برای اضافه کردن حسگرهای بیشتر برای پایش تعدادی از بیومارکرها به طور هم‌زمان دارد.
طراحی و کارایی جدیدترین سنسور پوشیدنی عرق
این سنسور جدید عرق پوشیدنی، مانند مدل‌های قبلی خود، به‌صورت اوریگامی مونتاژ شده است و لایه‌های جداگانه‌ای برای فرآیندهای مختلف دارد. این سنسور دارای چهار مؤلفه اصلی است. اولین مؤلفه مربوط به مدیریت انرژی است که برق تولید شده توسط پنل خورشیدی را توزیع می‌کند. دومین مؤلفه امکان یونتوفورز را فراهم می‌کند، که عرق کردن را بدون نیاز به ورزش یا قرار گرفتن در معرض دماهای بالا برای کاربر امکان‌پذیر می‌سازد.
یونتوفورز (یا یونتوفوری) یک روش درمانی است که از الکتروتراپی برای تسکین درد و تسریع فرایند بهبودی استفاده می‌کند. این روش به وسیلهٔ دستگاهی انجام می‌شود که جریانی از الکتریسیته را به بافت‌های عمیق‌تر بدن منتقل می‌کند. این کار به کاهش التهاب، افزایش گردش خون و بهبود عملکرد عضلات کمک می‌کند.
در مطالعه انجام شده توسط گائو، یونتوفورز هر سه ساعت یکبار انجام می‌شد تا اطمینان حاصل شود که مقدار کافی عرق برای نظارت مداوم بر بیومارکرهای تحت بررسی وجود دارد. سومین مؤلفه اندازه‌گیری الکتروشیمیایی مواد مختلف در عرق را امکان‌پذیر می‌سازد. چهارمین مؤلفه مربوط به پردازش داده‌ها و ارتباط بی‌سیم است که اجازه می‌دهد سنسور با اپلیکیشن تلفن همراه همگام‌سازی شود تا نتایج جاری نظارت سنسور نمایش داده شود.
پتانسیل اقتصادی و بالینی سنسورهای عرق خورشیدی
سنسور به‌طور کامل مونتاژ شده، اندازه‌ای برابر با ۲۰ × ۲۷ × ۴ میلی‌متر دارد و می‌تواند تحمل استرس مکانیکی ناشی از پوشیده شدن روی بدن را داشته باشد. “بیشتر اجزای سنسور عرق، مانند الکترونیک و FPSC، قابل استفاده مجدد هستند”، گائو می‌افزاید. “تنها استثنا، پچ سنسور است که یکبار مصرف است و می‌تواند با هزینه کم به‌صورت انبوه با استفاده از چاپ جوهرافشان تولید شود.” این پچ‌های سنسور همچنین می‌توانند بر اساس مواد مورد نظر کاربر برای اندازه‌گیری در بدن، سفارشی‌سازی شوند.
پیامدهای گسترده‌تر برای نظارت بر سلامت
هرچند این سنسورهای عرق خورشیدی به کار گرفته می‌شوند، قادر به اندازه‌گیری مواردی خواهند بود که هیچ‌کدام از ردیاب‌های سلامتی کنونی قادر به انجام آن نیستند. برای مثال، می‌توانند در مدیریت دیابت مورد استفاده قرار گیرند (مطالعات نشان داده‌اند که گلوکز در عرق به‌خوبی با گلوکز در خون مطابقت دارد) و برای تشخیص مجموعه‌ای از بیماری‌ها مانند بیماری قلبی، سیستیک فیبروزیس و نقرس. از آنجایی که این سنسورها غیرتهاجمی بوده و می‌توانند چندین اندازه‌گیری را در مدت زمان کوتاه انجام دهند، قادر به تشخیص سطح پایه فرد برای موادی مانند کورتیزول، هورمون‌ها یا متابولیت‌های مختلف مواد مغذی و داروها هستند. هنگامی که سطوح پایه برای این مواد مشخص شود، انحرافات آینده از این سطوح، روش مؤثرتری برای تشخیص نسبت به یک نمونه‌گیری خون واحد ارائه خواهند داد. و از آنجایی که این سنسورها نسبتاً ارزان‌قیمت هستند، امید است که به عنوان ابزاری تشخیصی عالی در سطح جهانی، از جمله در کشورهای در حال توسعه، مورد استفاده قرار گیرند.
این تحقیق به‌وسیله مؤسسه ملی بهداشت، دفتر تحقیقات نیروی دریایی برای سلامت فضایی، بنیاد ملی علوم و گرنت شروع به کار شورای تحقیقات اروپا پشتیبانی شده است. نویسندگان همکار شامل جی هونگ مین، جولیه آر. سمپیوناتتو، یو سونگ، چانگهاو ژو، یران یانگ، ساموئل سالومون و احسان شیرزایی سانی از کالتک، و استپان دمچی‌شین، بکله هایلگناو، کریستوف پوتز، لوکاس لهنر، جولیا فلیسیتاس اشوارز، کلمانس اشوارتزینگر، مارکوس شارب و مارتین کالتن برنر از دانشگاه یوهانس کپلر لینز هستند.
Reference:
https://scitechdaily.com/caltechs-new-health-tracker-runs-on-sweat-and-sunlight/
