Автономный сердечный монитор

Ученые разработали экологически чистый ультра-гибкий органический датчик, работающий на солнечном свете, который функционирует как сердечный монитор с автономным питанием. Ранее ученые разработали гибкую фотогальваническую ячейку, которая может быть расположена в текстиле. В данном исследовании они непосредственно интегрировали сенсорное устройство, называемое органическим электрохимическим транзистором (определенным типом электронного устройства, которое можно использовать для измерения различных биологических функций) в гибкий органический солнечный элемент. Используя это устройство, исследователи смогли измерить сердцебиения крыс и людей в условиях яркого света.

Устройства с самостоятельным питанием, которые могут быть установлены непосредственно на кожу или ткань человека, имеют большой потенциал для медицинских применений. Они могут использоваться в качестве физиологических датчиков для мониторинга сердечной активности или показывать состояние головного мозга в режиме реального времени, находясь в организме человека.

Однако, до последнего времени, практическая реализация была нецелесообразной из-за громоздкости батарей и недостаточного питания, а также из-за помех от электропитания, препятствующих их совместимости и длительной эксплуатации.

Гибкое устройство на пальце

Фото: RIKEN

Ключевым требованием для таких устройств является стабильное и надежное энергоснабжение. Ключевым достижением в этом исследовании, опубликованным в Nature, является использование ​​поверхности из нано-решеток на поглотителях солнечной энергии, что обеспечивает высокую фотоэффективность (PCE) и независимость от угла света. Благодаря этому достижению, исследователи смогли достичь PCE равную 10,5% и отношение мощности к весу 11,46 Вт на грамм, приблизившись к «магическому числу» на 15 процентов, что сделает органические фотоэлементы на основе кремния конкурентоспособными. Они также продемонстрировали снижение PCE всего лишь на 25% (с 9,82% до 7,33%) при повторном испытании на сжатие (900 циклов) и более высоком коэффициенте PCE на 45 процентов по сравнению с не-решетчатыми устройствами под углом 60 градусов.

Чтобы продемонстрировать практическое применение, сенсорные устройства, называемые органическими электрохимическими транзисторами, были объединены с органическими солнечными элементами на ультратонкой подложке (1 мкм), для обеспечения автономного обнаружения сердечных сокращений на коже или записи электрокардиограмм (ЭКГ) прямо на сердце крысы. Ученые обнаружили, что устройство хорошо работает на уровне освещения в 10 000 люкс, что эквивалентно освещению в тени в ясный солнечный день, и содержит меньше шумовых помех, чем аналогичные устройства, подключенные к батарее, по-видимому, из-за отсутствие электрических проводов.

Кенджиро Фукуда из Центра Исследований Новых Материй RIKEN: «Это большой шаг вперед в стремлении сделать самостоятельные медицинские контрольные устройства, которые можно поместить на ткань человека. Есть некоторые оставшиеся важные задачи, такие как разработка гибких устройств хранения энергии, и мы будем продолжать сотрудничать с другими группами для создания практически пригодных устройств. Важно отметить, что для текущих экспериментов мы работали над аналоговой частью нашего устройства, которая питает устройство и проводит измерение. Существует также цифровая часть на основе кремния, для передачи данных, а дальнейшая работа в этой области также поможет сделать такие устройства более практичными». Исследование было проведено RIKEN в сотрудничестве с исследователями из Токийского университета.

Sungjun Park, Soo Won Heo, Wonryung Lee, Daishi Inoue, Zhi Jiang, Kilho Yu,Hiroaki Jinno, Daisuke Hashizume, Masaki Sekino, Tomoyuki Yokota, KenjiroFukuda, Keisuke Tajima, Takao Someya.

Self-poweredultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics.

Nature, 2018; 561 (7724): 516 DOI: 10.1038/s41586-018-0536-x