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.
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.
Мы не хотим использовать только яркий солнечный свет для питания наших носимых устройств. Мы думаем о реальных условиях, включая обычное освещение в офисе и дома. Многие солнечные элементы обладают высокой эффективностью при ярком солнечном свете, но не при слабом свете в помещении
— 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.
- Дмитрий Ладыгин
- techxplore.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Секрет 14-го моря России: куда оно пропало и почему о нем снова заговорили?
Эксперты напоминают: Кроме Печорского, у России есть и 15-е «забытое» море, и оно тоже возвращается на карты...
Золотой колокольчик из Эрмитажа: почему Владимир Путин запретил выставлять этот артефакт за границей?
Сколько сокровищ потеряла Россия в последнее время, пока не поняла, что договоры с Западом не стоят даже бумаги, на которой написаны?...
Операция «Байконур»: как СССР дерзко и красиво долгие годы водил за нос весь Запад
С какого космодрома на самом деле стартовал Юрий Гагарин?...
3500-летние рисунки на камнях российского острова Вайгач грозят переписать древнюю историю Арктики
Ученые рассказали, кем были мореходы из забытой цивилизации Русского Севера...
Ученые рассказали, какой фрукт подчинил себе весь Китай
Как продукт с очень специфическим запахом стал управлять дипломатией и экономикой Юго-Восточной Азии?...
Американский авиалайнер резко рухнул на 7000 метров: эксперты считают виновником сбоя космические лучи из глубин Галактики
В этот раз катастрофа не произошла, но под угрозой электроника самолетов, космических аппаратов и даже автомобилей. Почему так происходит?...
Забытые истории: где искать потерянные русские города?
Последний языческий город, почему Тмутаракань — головная боль археологов и что не так со Старой Рязанью...
Главная тайна Аркаима: что спасло самый древний город на территории России от полного уничтожения?
Почему эксперты считают, что в этом месте «текут» две параллельные реальности?...
Наука в корне ошибалась: на Титане нет огромного океана, вместо этого он пронизан «слякотными туннелями»
Почему ученые уверены, что новое открытие только увеличивает шансы на нахождение жизни на крупнейшем спутнике Сатурна?...
11 лет обмана и позора: Эксперты констатируют, что программа «Чистый Эверест» с треском провалилась
Кто и почему превращает высочайшую гору на планете в гигантскую свалку?...
Чужое сердце, чужая жизнь: эти истории заставляют сомневаться в науке
Новое исследование говорит: 90% людей, получивших чужие органы, признаются, что они странно изменились после операции...