جهاز استشعار جديد للعرق قابل للارتداء يعمل بالطاقة الشمسية.. أكثر كفاءة وأخف وزنا ويصلح للتشخيص في الدول النامية

العرق، مثل الدم، يمكن أن يخبرنا الكثير عن صحة الإنسان، وبشكل ملائم، فإن جمعها أقل توغلاً، هذه هي الفرضية الكامنة وراء مستشعرات العرق القابلة للارتداء التي طورها الباحثون مؤخرا.

عمل وي جاو، الأستاذ المساعد في الهندسة الطبية، بمعهد هيريتج للأبحاث الطبية، ورونالد وجوان ويلينز سكولار، على مدى السنوات الخمس الماضية، على إضافة ميزات جديدة إلى أجهزته القابلة للارتداء، مما يجعلها قادرة على قراءة مستويات الأملاح والسكريات وحمض البوليك والأحماض الأمينية والفيتامينات، وكذلك الجزيئات الأكثر تعقيدًا مثل البروتين التفاعلي C الذي يمكن أن يوفر تقييمًا في الوقت المناسب لبعض المخاطر الصحية.

في الآونة الأخيرة، بالتعاون مع مجموعة Martin Kaltenbrunner في جامعة Johannes Kepler Linz في النمسا، قام جاو، بتشغيل هذه المستشعرات الحيوية القابلة للارتداء بخلية شمسية مرنة، نُشر البحث في مجلة Nature Electronics .

بلورات البيروفسكايت

تتكون الخلية الشمسية المستخدمة في مختبر جاو من بلورات البيروفسكايت، وهي مادة تشترك في التركيب الكيميائي الذي وُجد لأول مرة في معدن أكسيد التيتانيوم والكالسيوم، استحوذ البيروفسكايت على اهتمام مطوري الخلايا الشمسية لعدة أسباب:

أولاً، يُعد تصنيعه أرخص من السيليكون (المادة الأولية المستخدمة في الخلايا الشمسية منذ الخمسينيات)، والذي يجب تنقيته بدرجة عالية من خلال عمليات متعددة.

ثانيًا، يعد البيروفسكايت أرق 1000 مرة من طبقات الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون، مما يجعلها “شبه ثنائية الأبعاد” وفقًا لشروط جاو.

ثالثًا، يمكن ضبط البيروفسكايت وفقًا لأطياف الإضاءة المختلفة، من ضوء الشمس الخارجي إلى أشكال الإضاءة الداخلية المختلفة.

أخيرًا، والأكثر إغراءً لرواد الطاقة الشمسية ، تحقق خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءة تحويل طاقة أعلى (PCE) من السيليكون، مما يعني أنها تستطيع تحويل نسبة أكبر من الضوء الذي تتلقاه إلى كهرباء قابلة للاستخدام.

جهاز استشعار

وصلت خلايا السيليكون الشمسية إلى مستويات PCE التي تتراوح من 26 إلى 27 %، على الرغم من أن النطاق في الاستخدام المنتظم يتراوح بين 18 و 22 %، على النقيض من ذلك، تحتوي الخلية الشمسية المرنة من البيروفسكايت (FPSC) على مستشعر العرق القابل للارتداء من Gao على PCE تجاوز الرقم القياسي بنسبة 31% تحت إضاءة الإضاءة الداخلية.

يوضح جاو: “لا نريد استخدام ضوء الشمس القوي فقط لتشغيل أجهزتنا القابلة للارتداء”، “نحن نهتم بظروف الحياة الواقعية، بما في ذلك الإضاءة العادية للمكاتب والمنزل، تتمتع العديد من الخلايا الشمسية بكفاءة عالية في ضوء الشمس القوي، ولكن ليس في ظروف الإضاءة الداخلية الضعيفة”.

ويضيف جاو، أن البيروفسكايت الموجود على مستشعر العرق مناسب بشكل خاص للإضاءة الداخلية، حيث “تتطابق الاستجابة الطيفية لـ FPSC بشكل جيد مع طيف انبعاث الإضاءة الداخلي المشترك.”

مصدر كهرباء أخف وزنا وأكثر تجددًا

كانت التكرارات السابقة لأجهزة استشعار العرق التي يمكن ارتداؤها من Gao مدعومة ببطاريات ليثيوم أيون كانت ضخمة، وكان لا بد من إعادة شحنها بمصدر خارجي للكهرباء.

أدى البحث عن مصدر كهرباء أخف وزنا وأكثر تجددًا لتشغيل هذه الأجهزة عالية الطلب إلى قيام مختبر جاو بمحاولة استخدام خلايا السيليكون الشمسية، والتي وجدوا أنها شديدة الصلابة وغير فعالة وتعتمد على ظروف الإضاءة القوية.

جمع الطاقة من المواد الكيميائية في العرق

كما جربوا أيضًا جمع الطاقة من المواد الكيميائية الموجودة في العرق البشري (وقود حيوي متوفر بسهولة) وحركة الجسم، لكنهم وجدوا أن هذه المواد غير مستقرة للغاية أو تتطلب الكثير من الجهد من جانب مرتديها.

جهاز استشعار

12 ساعة يوميًا

سمح استخدام FPSC لـ Gao بإنشاء مستشعرات للعرق يمكن ارتداؤها لمدة 12 ساعة يوميًا ، مما يوفر مراقبة مستمرة لدرجة الحموضة والملح والجلوكوز ودرجة الحرارة والمراقبة الدورية (كل خمس إلى 10 دقائق) لمعدل العرق.

يتم تحقيق كل هذا بدون بطاريات أو مصدر إضاءة مخصص بشكل خاص، علاوة على ذلك، نظرًا لأن مصدر الطاقة أصبح أخف وزنًا وأقل تعقيدًا، فإن الجهاز القابل للارتداء لديه مساحة لكاشفات إضافية لمراقبة عدد أكبر من المؤشرات الحيوية في وقت واحد.

تم تجميع مستشعر العرق الجديد القابل للارتداء ، مثل سابقيه، بطريقة تشبه الأوريجامي، مع طبقات فردية مخصصة لعمليات مختلفة، يحتوي المستشعر على أربعة مكونات تفاعلية رئيسية. الأول مخصص لإدارة الطاقة – صرف الكهرباء التي تحصدها الخلية الشمسية، والثاني يُمكّن الرحلان الشاردي، وهو تحريض التعرق دون أي تمرين أو التعرض للحرارة العالية المطلوبة من جانب مرتديه.

في دراسة Gao ، تم إجراء الاختبارات كل ثلاث ساعات لضمان توفر ما يكفي من العرق لرصد المؤشرات الحيوية باستمرار تحت الملاحظة، والثالث يتيح القياس الكهروكيميائي للمواد المختلفة في العرق.

الرابع يدير معالجة البيانات والاتصالات اللاسلكية، مما يسمح للمستشعر بالتفاعل مع تطبيق الهاتف المحمول لعرض النتائج المستمرة لمراقبة المستشعر.

تم تجميع المستشعر بالكامل، ويبلغ قياسه 20 × 27 × 4 ملم، ويمكنه التعامل مع الضغط الميكانيكي المرتبط بارتدائه على الجسم.

يضيف جاو: “معظم عناصر جهاز استشعار العرق، مثل الإلكترونيات و FPSC ، قابلة لإعادة الاستخدام”، “الاستثناء الوحيد هو رقعة المستشعر، والتي يمكن التخلص منها، ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة بتكلفة منخفضة باستخدام الطباعة النافثة للحبر” يمكن أيضًا تخصيص بقع المستشعر هذه وفقًا للمواد التي يرغب المستخدم في قياسها في جسمه.

نظرًا لاستخدام مستشعرات العرق التي تعمل بالطاقة الشمسية، فإنها ستكون قادرة على قياس أكثر بكثير مما يفعله أي جهاز تعقب للياقة البدنية أو الصحة حاليًا. على سبيل المثال، يمكن استخدامها لإدارة مرض السكري (أظهرت الدراسات أن الجلوكوز في العرق يتطابق بشكل وثيق مع الجلوكوز في الدم)، وللكشف عن مجموعة من الحالات مثل أمراض القلب والتليف الكيسي والنقرس.

جهاز استشعار

نظرًا لأنها غير جراحية ويمكنها إجراء قياسات متعددة على فترات زمنية قصيرة، يمكن لهذه المستشعرات تمييز خط الأساس للفرد لمواد مثل الكورتيزول أو الهرمونات أو مستقلبات العناصر الغذائية والأدوية المختلفة.

بمجرد معرفة المستويات الأساسية لمثل هذه المواد، فإن الانحرافات المستقبلية عن هذه المواد ستوفر وسيلة تشخيص أكثر فاعلية من أي سحب دم واحد، ونظرًا لأن المستشعرات غير مكلفة نسبيًا، فإن الأمل هو أن تكون أداة تشخيصية ممتازة في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك البلدان النامية.