Mồ hôi, giống như máu, có thể cho chúng ta biết nhiều điều về sức khỏe của một người. Và thuận tiện, nó ít xâm lấn hơn rất nhiều để thu thập. Đây là tiền đề đằng sau các cảm biến mồ hôi có thể đeo được, được phát triển bởi Wei Gao, trợ lý giáo sư kỹ thuật y tế, Điều tra viên của Viện Nghiên cứu Y học Di sản, và Học giả Ronald và JoAnne Willens.
Ứng dụng điện thoại di động kết hợp với cảm biến mồ hôi đeo được qua Bluetooth. Nguồn ảnh: Jihong Min
Trong 5 năm qua, Gao đã liên tục bổ sung các tính năng cho thiết bị đeo của mình, khiến chúng có khả năng đọc nồng độ muối, đường, axit uric , axit amin và vitamin cũng như các phân tử phức tạp hơn như protein phản ứng C có thể cung cấp kịp thời. đánh giá những rủi ro sức khỏe nhất định. Gần đây nhất, với sự cộng tác của nhóm Martin Kaltenbrunner tại Đại học Johannes Kepler Linz ở Áo, Gao đã cung cấp năng lượng cho các cảm biến sinh học đeo được này bằng pin mặt trời linh hoạt.
Pin mặt trời được phòng thí nghiệm của Gao sử dụng được làm từ tinh thể perovskite, một vật liệu có cùng cấu trúc hóa học lần đầu tiên được tìm thấy trong khoáng vật oxit titan canxi. Perovskite đã thu hút sự chú ý của các nhà phát triển pin mặt trời vì nhiều lý do:
Đầu tiên, nó rẻ hơn để sản xuất so với silicon (vật liệu chính được sử dụng trong pin mặt trời từ những năm 1950), vốn phải được tinh chế cao qua nhiều quy trình.
Thứ hai, perovskite mỏng hơn tới 1.000 lần so với các lớp pin mặt trời silicon, khiến chúng trở thành “gần như 2D” theo thuật ngữ của Gao.
Thứ ba, perovskite có thể được điều chỉnh theo quang phổ của các loại ánh sáng khác nhau, từ ánh sáng mặt trời ngoài trời đến các dạng chiếu sáng trong nhà khác nhau.
Cuối cùng, và cũng là điều hấp dẫn nhất đối với những người tiên phong trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, pin mặt trời perovskite đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) cao hơn silicon, nghĩa là chúng có thể chuyển đổi phần lớn ánh sáng mà chúng nhận được thành điện năng có thể sử dụng được.
Pin mặt trời silicon đã đạt đến mức PCE trong khoảng từ 26–27%, mặc dù khi sử dụng thường xuyên, phạm vi này dao động trong khoảng từ 18 đến 22%. Ngược lại, pin mặt trời perovskite linh hoạt (FPSC) trên cảm biến mồ hôi đeo được của Gao có PCE phá kỷ lục vượt 31% khi chiếu sáng trong nhà.
Gao giải thích: “Chúng tôi không muốn chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời mạnh để cung cấp năng lượng cho thiết bị đeo của mình”. "Chúng tôi quan tâm đến các điều kiện thực tế hơn, bao gồm cả ánh sáng văn phòng và gia đình bình thường. Nhiều pin mặt trời có hiệu suất cao dưới ánh sáng mặt trời mạnh nhưng không đạt hiệu suất cao trong điều kiện ánh sáng yếu trong nhà." Gao cho biết FPSC trên cảm biến mồ hôi đặc biệt phù hợp với ánh sáng trong nhà vì "phản ứng quang phổ của FPSC rất phù hợp với phổ phát xạ ánh sáng trong nhà thông thường".
Các phiên bản trước đây của cảm biến mồ hôi đeo được của Gao được cung cấp năng lượng bằng pin lithium-ion cồng kềnh và phải sạc lại bằng nguồn điện bên ngoài. Việc tìm kiếm một nguồn điện nhẹ hơn, có khả năng tái tạo hơn để cung cấp năng lượng cho các thiết bị có nhu cầu cao này đã khiến phòng thí nghiệm của Gao thử sử dụng pin mặt trời silicon mà họ nhận thấy là quá cứng, kém hiệu quả và phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng mạnh.
Họ cũng thử nghiệm thu hoạch năng lượng từ các hóa chất trong mồ hôi của con người (một loại nhiên liệu sinh học có sẵn) và chuyển động của cơ thể nhưng nhận thấy những năng lượng này quá không ổn định hoặc đòi hỏi quá nhiều nỗ lực của người mặc.
Việc sử dụng FPSC đã cho phép Gao tạo ra các cảm biến mồ hôi có thể đeo trong 12 giờ mỗi ngày, cung cấp khả năng theo dõi liên tục độ pH, muối, glucose và nhiệt độ cũng như theo dõi định kỳ (5 đến 10 phút một lần) tốc độ mồ hôi. Tất cả điều này được thực hiện mà không cần pin hoặc nguồn sáng chuyên dụng đặc biệt. Hơn nữa, khi nguồn điện trở nên nhẹ hơn và ít cồng kềnh hơn, thiết bị đeo có chỗ cho các máy dò bổ sung để theo dõi đồng thời số lượng dấu ấn sinh học lớn hơn.
Cảm biến mồ hôi đeo được mới này, giống như các thiết bị tiền nhiệm, được lắp ráp theo kiểu gấp giấy origami, với các lớp riêng biệt dành riêng cho các quy trình khác nhau. Cảm biến có bốn thành phần tương tác chính. Cơ quan đầu tiên được dành riêng cho việc quản lý năng lượng – phân phối điện năng thu được từ pin mặt trời. Loại thứ hai cho phép điện di ion, tạo ra mồ hôi mà không cần tập thể dục hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao đối với người đeo.
Trong nghiên cứu của Gao, phương pháp điện di ion được thực hiện ba giờ một lần để đảm bảo có đủ mồ hôi để theo dõi liên tục các dấu ấn sinh học đang được quan sát. Loại thứ ba cho phép đo điện hóa các chất khác nhau trong mồ hôi. Thứ tư quản lý việc xử lý dữ liệu và liên lạc không dây , cho phép cảm biến giao tiếp với ứng dụng điện thoại di động để hiển thị kết quả giám sát liên tục của cảm biến.
Được lắp ráp hoàn chỉnh, cảm biến có kích thước 20 x 27 x 4 mm và có thể xử lý ứng suất cơ học liên quan đến việc đeo trên cơ thể. Gao cho biết thêm: “Hầu hết các bộ phận của cảm biến mồ hôi, chẳng hạn như thiết bị điện tử và FPSC, đều có thể tái sử dụng được”. “Ngoại lệ duy nhất là miếng dán cảm biến, loại dùng một lần và có thể được sản xuất hàng loạt với chi phí thấp bằng cách sử dụng máy in phun.” Những miếng dán cảm biến này cũng có thể được tùy chỉnh theo những chất mà người dùng muốn đo trong cơ thể họ.
Khi các cảm biến mồ hôi chạy bằng năng lượng mặt trời này được đưa vào sử dụng, chúng sẽ có thể đo được nhiều kết quả hơn bất kỳ thiết bị theo dõi thể dục hoặc sức khỏe nào hiện nay. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để kiểm soát bệnh tiểu đường (các nghiên cứu đã chỉ ra rằng glucose trong mồ hôi có mối liên hệ chặt chẽ với glucose trong máu) và để phát hiện một loạt tình trạng như bệnh tim, xơ nang và bệnh gút.
Vì chúng không xâm lấn và có thể thực hiện nhiều phép đo trong thời gian ngắn nên những cảm biến này có thể phân biệt đường cơ sở của một cá nhân đối với các chất như cortisol, hormone hoặc chất chuyển hóa của nhiều chất dinh dưỡng và thuốc khác nhau.
Một khi đã biết được mức cơ bản của các chất đó, những sai lệch so với mức này trong tương lai sẽ mang lại phương tiện chẩn đoán hiệu quả hơn so với việc lấy máu một lần. Và bởi vì các cảm biến tương đối rẻ nên người ta hy vọng rằng chúng có thể là một công cụ chẩn đoán tuyệt vời trên toàn cầu, kể cả ở các nước đang phát triển.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronics .
