Hoje, sensores autônomos e{0}}autoalimentados são aplicados em diversos campos, como Internet das Coisas (IoT), automação industrial, cidades inteligentes e monitoramento de saúde estrutural (SHM). Neste contexto, a investigação académica foi pioneira em soluções sustentáveis e circulares para satisfazer as exigências de energia de dispositivos eletrónicos em miniatura.
De acordo com a MEMS Consulting, pesquisadores da Universidade de Perugia, na Itália, propuseram recentemente um novo método para medição remota de temperatura de células biológicas e seus arredores. Esta abordagem utiliza energia elétrica colhida de uma única fibra muscular do linguado. Um circuito RLC otimizado é incorporado à célula, onde o capacitor serve tanto como unidade de armazenamento de energia quanto como sensor de temperatura, aproveitando sua sensibilidade térmica inerente. Dados experimentais confirmaram que o sistema desenvolvido pode transmitir temperatura sem fio usando energia coletada da membrana celular e opera dentro da faixa biologicamente relevante (30 graus a 50 graus). Esse-sensor de temperatura com alimentação própria tem potencial para aprimorar a detecção biomédica e o monitoramento remoto não{7}}invasivo de temperatura. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nano Energy sob o título "Sensores de temperatura auto-alimentados que aproveitam o potencial de membrana de células vivas".
Neste trabalho, os pesquisadores consideraram que as fibras musculares podem maximizar a diferença de potencial da membrana, já que seu potencial de repouso pode atingir -90 mV. Eles exploraram a utilização do potencial de membrana das fibras musculares da sola para avaliar a viabilidade da implementação da tecnologia de biossensor auto-alimentado. Simulações preliminares do LTspice foram empregadas para projetar um sistema de comunicação sem fio capaz de medir o parâmetro biológico de interesse-temperatura. Para tanto, os pesquisadores modelaram e otimizaram um circuito RLC cuja frequência de oscilação varia com a temperatura celular. Isto permitiu a fabricação e teste de sensores de temperatura alimentados diretamente pelas fibras musculares da sola sob diversas condições experimentais, permitindo a avaliação de sua eficiência e confiabilidade gerais.
Gerador Bioelétrico e Circuito de Captação de Energia
Através da configuração experimental dos pesquisadores, variações no capacitor C1 podem ser aproveitadas para utilizar a frequência de oscilação amortecida em diferentes temperaturas. Como as fibras musculares esqueléticas estão presentes em todo o corpo dos mamíferos, o método dos pesquisadores permite que um sensor de temperatura autoalimentado seja implantado em qualquer parte do corpo humano. Isso facilita o monitoramento e a compreensão das flutuações de temperatura intracelular, que podem ter implicações significativas para vários processos biológicos-como a proliferação de tumores malignos da mama-ou para a integração de bio-robôs para administração direcionada de medicamentos.
Configuração Experimental
Os pesquisadores também realizaram testes experimentais com energia gerada por células biológicas. Eles isolaram o músculo do linguado de camundongos e inseriram um eletrodo intracelular em uma única fibra, demonstrando a viabilidade de coletar energia elétrica diretamente da membrana celular. Durante o teste, eles coletaram uma tensão de -60 mV e 2 µJ de energia elétrica, que foi armazenada em um capacitor de 1 mF e usada para alimentar um dispositivo de detecção passiva. Os pesquisadores demonstraram que o músculo esquelético teve um desempenho ainda melhor do que os oócitos utilizados em estudos anteriores.
Carregando um capacitor através de fibras musculares de linguado
Os pesquisadores compararam os resultados experimentais com um modelo de circuito RLC, revelando uma boa concordância entre os dados medidos e as previsões teóricas. No entanto, a baixa tensão colhida das fibras pode representar desafios para a implementação de interfaces eletrônicas-de baixa potência para comunicação sem fio. No entanto, o sensor de temperatura autônomo proposto neste estudo utiliza um capacitor de armazenamento especificamente selecionado conectado ao gerador de bio-energia e pode se comunicar com um receptor externo a curta distância (10 mm).
Este sensor de temperatura, uma vez calibrado, transmite dados de temperatura em uma largura de banda de 160 Hz em toda a faixa desde a temperatura ambiente até temperaturas biologicamente relevantes (30 graus a 50 graus). A miniaturização futura poderia permitir a detecção de temperatura com frequência mais alta, mas isso requer um projeto cuidadoso da eficiência energética do circuito eletrônico para minimizar resistências parasitas e maior dissipação de energia.
Características do sensor de temperatura
Em resumo, os pesquisadores destacaram o potencial das células biológicas como fontes de energia para aplicações bio{1}incorporadas em pequena-escala. Ao aproveitar as funcionalidades das células vivas,-particularmente das células animais (fibras musculares),-a energia química pode ser convertida em energia elétrica, permitindo o desenvolvimento de sensores bio-incorporados auto-alimentados. Em comparação com baterias recarregáveis e tecnologias de coleta de energia cinética, esta solução oferece vantagens distintas, abrindo caminho para a integração futura de bio{8}}eletrônica incorporada em sistemas biológicos. Essa tecnologia é promissora para estabelecer uma classe de sensores bio{10}}autônomos capazes de interagir diretamente com células biológicas em organismos vivos. Mais pesquisas e desenvolvimentos neste campo contribuirão para avanços nas técnicas de coleta de energia e para a evolução da bio-eletrônica incorporada.