Um Sensor Vestível Inovador Atinge um Nível Sem Precedentes de Eficiência de Energia Solar
O suor, semelhante ao sangue, contém informações valiosas sobre a saúde de um indivíduo e, felizmente, sua coleta é muito menos intrusiva. No entanto, sso forma a base para a criação de sensores de suor vestíveis, elaborados por Wei Gao, professor assistente de engenharia médica, investigador do Heritage Medical Research Institute e Ronald e JoAnne Willens Scholar.
Expansão da Medição de Substâncias e Avaliações de Risco à Saúde
Durante os últimos cinco anos, Gao aprimorou continuamente seus dispositivos vestíveis, permitindo-lhes medir várias substâncias, como sais, açúcares, ácido úrico, aminoácidos e vitaminas. Além disso, esses dispositivos agora podem detectar moléculas mais complexas, como a proteína C-reativa, oferecendo avaliações oportunas de riscos específicos à saúde. Recentemente, Gao colaborou com a equipe de Martin Kaltenbrunner na Johannes Kepler University Linz, na Áustria, para integrar células solares flexíveis, fornecendo energia a esses biossensores avançados.
Entretanto, o laboratório de Gao emprega uma célula solar construída a partir de cristal de perovskita, um material caracterizado pela mesma estrutura química do óxido de cálcio e titânio. A perovskita atraiu atenção considerável entre os desenvolvedores de células solares devido a várias vantagens
Na verdade, para começar, oferece um processo de fabricação mais econômico em comparação com o silício, que é o principal material das células solares desde a década de 1950 e requer procedimentos de purificação extensivos.
Em segundo lugar, as camadas de células solares de perovskita são excepcionalmente finas, quase “quase 2D” nos termos de Gao, sendo até 1.000 vezes mais finas que as camadas de silício.
espectros de luz
Além disso, a perovskita pode se adaptar a diferentes espectros de luz, desde a luz solar externa até várias condições de iluminação interna.
Mais importante ainda, as células solares de perovskita possuem uma eficiência de conversão de energia (PCE) mais alta do que o silício, significando sua capacidade de converter uma porção maior da luz recebida em eletricidade utilizável.
Embora as células solares de silício normalmente atinjam níveis de PCE que variam de 26 a 27 por cento, seu uso prático geralmente fica entre 18 e 22 por cento. Em contraste, o sensor de suor portátil de Gao equipado com uma célula solar de perovskita flexível (FPSC) estabelece um recorde inovador com um PCE superior a 31%, especificamente sob iluminação de luz interna.
De acordo com Gao, o objetivo não depende apenas de aproveitar a luz solar forte para energizar seus vestíveis. Em vez disso, eles priorizam cenários da vida real, abrangendo condições típicas de iluminação de escritórios e residências. Gao destaca que várias células solares podem exibir alta eficiência sob luz solar intensa, mas vacilar em configurações de iluminação interna mais fracas. No entanto, o FPSC integrado ao sensor de suor se mostra altamente adequado para iluminação interna devido à sua excelente resposta espectral, estreitamente alinhada com o espectro de emissão da iluminação interna comum.
Desafios com baterias de íons de lítio e células solares de silício
Versões anteriores dos sensores de suor vestíveis de Gao dependiam de baterias de íon de lítio volumosas, necessitando de recarga com uma fonte de alimentação externa. Para encontrar uma fonte de eletricidade mais leve e sustentável para esses dispositivos de alta demanda, a equipe de Gao explorou o uso de células solares de silício, mas descobriu que eram inflexíveis, ineficientes e dependentes de fortes condições de iluminação.
Eles também experimentaram aproveitar a energia de produtos químicos presentes no suor humano, considerando-o um biocombustível prontamente disponível, bem como do movimento do corpo. No entanto, essas abordagens se mostraram instáveis ou exigiram muito esforço do usuário.
Uso prolongado e monitoramento aprimorado de biomarcadores
A adoção de FPSCs revolucionou os sensores de suor de Gao, permitindo que sejam usados continuamente por 12 horas por dia. Esses sensores fornecem monitoramento ininterrupto de pH, sal, glicose e temperatura, juntamente com monitoramento periódico (a cada cinco a 10 minutos) da taxa de suor. Notavelmente, todas essas funcionalidades são alcançadas sem a necessidade de baterias ou uma fonte de luz especialmente dedicada. Além disso, o uso de uma fonte de energia mais leve e menos pesada abriu espaço no wearable para mais detectores, permitindo o monitoramento simultâneo de um maior número de biomarcadores.
Construção em lti-camadas e quatro componentes interativos
Portanto, semelhante aos seus antecessores, o novo sensor de suor vestível é construído usando uma abordagem de origami, incorporando camadas distintas para diferentes funções. O sensor compreende quatro componentes principais de interação:
Gerenciamento de energia: Este componente distribui eficientemente a eletricidade obtida da célula solar integrada.
Iontoforese: O segundo componente induz a transpiração sem exigir nenhum exercício físico ou exposição a altas temperaturas do usuário. No estudo de Gao, a iontoforese teve de realizar a cada três horas para garantir um suprimento contínuo de suor para monitorar os biomarcadores.
Medição eletroquímica: O terceiro componente facilita a medição de várias substâncias presentes no suor.
Processamento de dados e comunicação sem fio: O quarto componente gerencia o processamento de dados e a comunicação sem fio, permitindo que o sensor interaja com um aplicativo de celular, exibindo os resultados do monitoramento em tempo real.
Sensor de suor compacto e durável com adesivos descartáveis personalizáveis
Portanto, depois de totalmente montado, o sensor mede 20 x 27 x 4 milímetros e pode suportar o estresse mecânico associado ao uso no corpo. Gao enfatiza que muitos elementos do sensor de suor, como a eletrônica e o FPSC, são reutilizáveis, com exceção do patch de sensor descartável. Esse patch pode ser produzido em massa a baixo custo usando impressão a jato de tinta, permitindo a personalização com base nas substâncias desejadas do usuário a serem medidas em seu corpo.
A aplicação desses sensores de suor movidos a energia solar vai muito além das capacidades dos atuais rastreadores de condicionamento físico ou saúde. Eles têm o potencial de medir uma ampla gama de parâmetros. Por exemplo, eles podem ajudar no controle do diabetes, pois estudos indicaram que os níveis de glicose no suor estão intimamente relacionados aos níveis de glicose no sangue. Além disso, esses sensores podem detectar várias condições, como doenças cardíacas, fibrose cística e gota.
Permitindo o monitoramento preciso de cortisol, hormônios e metabólitos
Sua natureza não invasiva e a capacidade de realizar várias medições em intervalos curtos permitem que eles estabeleçam a linha de base de um indivíduo para substâncias como cortisol, hormônios ou metabólitos de diferentes nutrientes e medicamentos.
Concluino, uma vez estabelecidos esses níveis basais, quaisquer desvios futuros podem servir como um indicador de diagnóstico mais eficaz em comparação com uma única coleta de sangue. Além disso, devido ao seu custo relativamente baixo, há otimismo de que esses sensores possam se tornar ferramentas de diagnóstico valiosas globalmente, inclusive em países em desenvolvimento.
Leia o artigo original em: Tech Xplore
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