Носимый датчик установил рекорд по эффективности использования солнечной энергии

Пот, как и кровь, может многое рассказать о здоровье человека. Этот факт — в основе носимых датчиков пота, разработанных Вэй Гао, инженером из Медицинского исследовательского института наследия (HMRC), Калифорния.


За последние пять лет Гао постоянно добавлял новые функции в свои носимые устройства: чтобы считывали уровень солей, сахаров, мочевой кислоты, аминокислот и витаминов, а также более сложных молекул, таких как С-реактивный белок (СРБ) — эти показатели могут заранее предупредить о риске для здоровья. В сотрудничестве с учёными из Университета Иоганна Кеплера в Линце, Австрия, Вэй Гао оснастил свои носимые биосенсоры гибким солнечным элементом.

Солнечную батарею они изготовили из перовскита. Титанат кальция, CaTiO₃, получил второе название в честь русского минералога Льва Перовского. Перовскит привлёк внимание разработчиков солнечных батарей по нескольким причинам. Во-первых, он дешевле в производстве, чем кремний, основной материал для солнечных элементов с 1950-х годов. Кремнию нужная высокая степень очистки, что не делает типичные солнечные батареи доступнее.

Во-вторых, перовскит в 1000 раз тоньше слоёв кремниевых солнечных элементов. В-третьих, перовскит можно настроить на спектры различного освещения, от наружного солнечного света до различных типов лампочек в помещении.

Наконец, и это самое заманчивое, перовскитовые солнечные элементы достигают более высокой эффективности преобразования энергии, чем кремниевые. Это четвёртое достоинство означает, что они могут превращать наибольшую часть получаемого ими света в полезное электричество.

Уровень эффективности кремниевых солнечных элементов достигает 26–27%, хотя при регулярном использовании этот показатель колеблется между 18% и 22%. А у гибкого перовскитового солнечного элемента для носимого датчика пота, изобретённого Гао, показатель эффективности превышает 31%, и это при комнатном освещении.


— Вэй Гао, доцент в области медицинской инженерии.

Гибкий перовскитовый солнечный элемент на датчике пота особенно хорошо подходит для освещения в домах, добавил Гао, поскольку спектральный отклик датчика хорошо соответствует общему спектру излучения от внутреннего освещения.

Предыдущие версии носимых датчиков пота Гао питались от литий-ионных аккумуляторов. Но батареи были громоздкими, и их приходилось подзаряжать от внешнего источника электроэнергии. Поиск более лёгкого и возобновляемого источника электроэнергии для питания устройств побудил лабораторию попробовать кремниевые солнечные элементы. Но они оказались слишком жёсткими, неэффективными и зависели от сильного освещения.

Инженеры также экспериментировали с получением энергии химическим путём из самого человеческого пота, а также из движений тела. Но обнаружили, что такие источники питания были слишком нестабильными или требовали слишком больших усилий со стороны пользователя.

Применение солнечного элемента из перовскита позволило Гао создать датчики пота, которые можно носить в течение 12 часов в день, обеспечивая непрерывный мониторинг кислотности, солей, глюкозы и температуры, а также периодический, каждые 5–10 минут, мониторинг уровня потоотделения. Всё это достигается без батареек или поиска подходящего источника света.

Кроме того, поскольку источник питания стал легче и меньше, в носимом устройстве появилось место для дополнительных детекторов, чтобы одновременного замерять ещё больше биомаркеров.

В новом носимом датчике пота, как и в его предшественниках, отдельные слои предназначены для различных процессов. Датчик состоит из четырёх основных взаимодействующих компонентов. Первый — для управления энергопотреблением и распределения электроэнергии. Второй отвечает за ионофорез, то есть вызывает потоотделение без каких-либо физических нагрузок или повышенной температуры. При ионофорезе на кожу воздействует ток низкого напряжения. В изобретении Гао ионофорез запускается каждые три часа, обеспечивая достаточное количество пота для непрерывного мониторинга биомаркеров.

Третья функция биосенсора позволяет проводить электрохимическое измерение различных веществ в поту. А четвёртая управляет обработкой данных и беспроводной связью, что позволяет датчику взаимодействовать с приложением для мобильного телефона — там отображаются текущие результаты замеров.

У датчика в сборе размеры 20 × 27 × 4 мм, и он выдерживает механические нагрузки при повседневной носке. Гао добавил, что большинство элементов датчика пота, в том числе электронику и элемент из перовскита, можно использовать повторно. Исключение — одноразовая сенсорная накладка, но её можно массово производить по низкой цене с использованием струйной печати. Сенсорные «пластыри» также можно настроить в зависимости от тех веществ, которые хотелось бы замерять.

Когда новые датчики пота на солнечных элементах пойдут в массы, они смогут измерять гораздо больше показателей, чем любой другой современный трекер для фитнеса или здоровья. Например, с их помощью можно наблюдать состояние диабетиков, поскольку уровень глюкозы в поте близок к аналогичному в крови. А также биосенсоры будут эффективны для диагностики при болезнях сердца, муковисцидозе и подагре.

Неинвазивные и быстрые, датчики Гао также подходят для множества измерений: смогут выявлять базовый уровень кортизола, гормонов или метаболитов различных питательных веществ и лекарств. Как только станут известны нормальные уровни содержания перечисленных веществ, мониторинг отклонений обеспечит более эффективную диагностику, чем это возможно из одного анализа крови. А поскольку датчики относительно недороги, есть надежда, что они послужат как диагностический инструмент по всему миру, в том числе в развивающихся странах.