Berakhirnya Kebimbangan tentang Bateri bagi Sensor Boleh Pakai

Berakhirnya Kebimbangan tentang Bateri bagi Sensor Boleh Pakai

Anda tentu tahu rasa cemas seketika apabila penjejak kecergasan mati sebaik sahaja anda mula bersenam. Tiba-tiba, peranti yang sepatutnya memantau kadar denyutan jantung, kalori yang dibakar dan intensiti senaman menjadi cebisan plastik yang tidak berguna di pergelangan tangan. Rasa kecewa mencari kabel pengecas, kesulitan menggunakan peranti yang perlu kerap dicas daripada soket elektrik, serta rasa bersalah terhadap alam sekitar akibat penggunaan bateri pakai buang sudah lama menghantui industri teknologi boleh pakai. Para penyelidik di Jepun telah membangunkan teknologi yang boleh mengatasi masalah ini. Pasukan di Universiti Sains Tokyo menghasilkan tampalan nipis yang dipasang pada kulit dan menjana elektrik secara langsung daripada peluh manusia, sekali gus menghapuskan sepenuhnya keperluan terhadap bateri boleh cas semula atau kabel pengecas.

Penemuan ini berasaskan dakwat enzim berasaskan air yang membolehkan sel biofuel lengkap dicetak pada substrat kertas menggunakan kaedah cetakan skrin satu langkah. Penyelidikan itu, yang diterbitkan dalam talian pada 6 Februari 2026 dalam ACS Applied Engineering Materials, menunjukkan ketumpatan kuasa puncak kira-kira 165 mikrowatt per sentimeter persegi (sekitar 1,065 mikrowatt per inci persegi) pada 0.63 volt. Output ini mencukupi untuk membekalkan kuasa kepada biosensor berkuasa rendah dan penghantaran data tanpa wayar, sekali gus berpotensi mengubah cara kita memantau kesihatan ketika bersenam, menerima rawatan klinikal dan menjalani kehidupan seharian. Inovasi ini menandakan peralihan asas daripada tenaga tersimpan kepada tenaga yang diperoleh, dengan menggunakan kimia tubuh sendiri sebagai sumber bahan api.

Profesor Madya Isao Shitanda, yang mengetuai pasukan penyelidik dari Jabatan Kimia Tulen dan Gunaan, menjelaskan bahawa matlamat mereka adalah untuk mengatasi halangan pembuatan yang selama bertahun-tahun menyebabkan teknologi seumpamanya hanya berada di makmal. Dengan menghasilkan dakwat yang boleh dicetak secara sekata dalam satu laluan, pasukan itu membuka laluan praktikal ke arah pengeluaran besar-besaran biosensor boleh pakai tanpa bateri. Pembangunan ini berlaku ketika pasaran global peranti perubatan boleh pakai menghampiri nilai $195 bilion, dengan penghapusan bateri menjadi antara cabaran kejuruteraan paling mendesak dalam bidang ini.

Menukar Kimia Tubuh kepada Elektrik

Peranti ini dikenali sebagai sel biofuel enzimatik, atau EBFC, yang menjana elektrik dengan menggunakan enzim biologi untuk menggerakkan tindak balas kimia dalam cecair tubuh. Dalam kajian ini, bahan api utamanya ialah laktat, hasil sampingan metabolisme yang terdapat dalam peluh. Ketika bersenam, otot menghasilkan laktat apabila menggunakan glukosa untuk mendapatkan tenaga, dan sebahagian sebatian ini keluar daripada tubuh melalui peluh. Para penyelidik Jepun mereka bentuk sistem mereka untuk mengukur kepekatan laktat dalam julat kira-kira 1 hingga 25 milimolar, yang sepadan secara langsung dengan keadaan senaman sebenar, daripada aktiviti ringan hingga aktiviti fizikal yang berat.

Proses elektrokimia ini ringkas tetapi berkesan. Pada satu elektrod, enzim membantu mengekstrak elektron daripada molekul laktat. Elektron ini kemudian bergerak melalui litar luaran, lalu menghasilkan arus elektrik. Pada elektrod yang bertentangan, oksigen daripada udara sekeliling menerima elektron tersebut untuk melengkapkan tindak balas. Aliran elektron berterusan ini membekalkan kuasa yang boleh digunakan untuk pengesanan dan penghantaran data tanpa memerlukan cas tersimpan atau sumber kuasa luaran. Oleh sebab peranti ini menggunakan bahan kimia yang dihasilkan secara semula jadi oleh tubuh, elektrik dijana secara pasif semasa aktiviti harian seperti berjalan, bersenam atau melakukan kerja rutin.

Kajian terdahulu oleh kumpulan penyelidik yang sama telah menunjukkan bahawa output kuasa ini mampu mengendalikan sistem Bluetooth Low Energy, membolehkan peranti menghantar bacaan laktat dalam peluh secara tanpa wayar tanpa bantuan bateri. Ini menghasilkan kitaran pemantauan kendiri: semakin kuat anda bersenam, semakin banyak peluh dihasilkan dan, seterusnya, semakin banyak kuasa tersedia untuk menghantar data tentang keadaan fizikal anda. Hubungan ini amat bermanfaat untuk pemantauan kesihatan boleh pakai. Ini bermakna sensor menjadi lebih berkuasa tepat ketika tubuh anda paling memerlukan pemantauan.

Mengatasi Hambatan Pengeluaran

Selama bertahun-tahun, sel biofuel enzimatik menunjukkan potensi dalam persekitaran makmal, tetapi cabaran pembuatan menghalang penggunaannya secara meluas. Kaedah pembuatan konvensional melibatkan beberapa langkah yang memerlukan banyak tenaga kerja. Pengilang perlu terlebih dahulu mencetak lapisan elektrod karbon, kemudian menitiskan larutan enzim dan mediator secara berasingan pada permukaan, dan akhirnya menunggu filem yang tidak sekata itu kering. Proses berbilang peringkat ini menyebabkan variasi ketara antara peranti, menyukarkan kawalan mutu dan menjadikan pengeluaran besar-besaran tidak praktikal. Perbezaan kecil pada jumlah cecair yang dititiskan atau tempoh pengeringannya boleh mengubah kuasa dan keupayaan pengesanan bagi setiap tampalan.

Bagi menangani cabaran ini, Profesor Madya Isao Shitanda dan pasukannya, termasuk Cik Mahiro Omori dari Universiti Sains Tokyo dan Encik Mitsuru Hanasaki dari RESONAC Co. Ltd, menghasilkan formulasi yang menggabungkan langkah-langkah rumit ini menjadi satu lapisan yang boleh dicetak. Inovasi ini terletak pada pencampuran awal bahan kimia aktif terus ke dalam dakwat cetakan, membolehkan kedua-dua elektrod dihasilkan dalam satu laluan melalui skrin berjaring pada substrat kertas nipis.

Bagi mengelakkan teknik pembuatan EBFC yang memerlukan banyak tenaga kerja, tidak cekap dan mahal, kita perlu membawa dakwat enzim ke pasaran yang boleh dicetak secara sekata dan sesuai untuk pengeluaran besar-besaran.

Kaedah cetakan skrin ini sudah digunakan secara meluas dalam pembuatan industri, yang bermakna teknologi ini boleh disepadukan dengan lancar ke dalam barisan pengeluaran sedia ada. Formulasi berasaskan air ini mengelakkan pelarut organik yang boleh merosakkan struktur enzim yang halus, sekali gus memastikan komponen biologi mengekalkan aktivitinya selepas proses pencetakan. Penggabungan langkah ini mengurangkan variasi antara peranti dan membuka jalan untuk menangani cabaran seterusnya: menukar hasil cetakan makmal kepada sensor boleh pakai yang tahan lasak dan boleh dihasilkan oleh kilang.

Merekayasa Dakwat yang Tepat

Menghasilkan dakwat enzim yang stabil dan boleh dicetak memerlukan imbangan teliti antara pelbagai komponen. Pasukan penyelidik menggabungkan karbon mesopori berpandukan templat magnesium oksida, iaitu bahan berliang dengan luas permukaan yang sangat besar, bersama mediator kimia yang memudahkan pemindahan elektron. Mereka turut menambah POLYSOL, bahan pengikat berasaskan air yang baharu, iaitu emulsi polimer yang mengikat kuat pada permukaan karbon sambil mengekalkan persekitaran stabil untuk enzim dalam struktur berliang. Karboksimetil selulosa digunakan sebagai pemekat untuk mendapatkan kepekatan yang sesuai bagi cetakan skrin.

Penggunaan karboksimetil selulosa amat penting. Penyelidikan berkaitan yang diterbitkan dalam Nature menunjukkan bahawa bahan tambahan ini meningkatkan kebolehsebaran dakwat karbon mesopori dan memudahkan akses kepada liang dalaman bahan tersebut. Dalam kajian terdahulu, penambahan CMC pada formulasi karbon seumpamanya meningkatkan ketumpatan arus maksimum lebih daripada dua kali ganda dan ketumpatan kuasa lebih 2.5 kali ganda berbanding elektrod yang dihasilkan tanpa bahan tambahan itu.

Aspek yang paling mencabar dalam pembuatan sel biofuel mungkin selama ini ialah katod, iaitu elektrod yang menggunakan oksigen untuk melengkapkan litar elektron. Enzim yang mengendalikan oksigen sangat sensitif dan sukar distabilkan menggunakan kaedah pembuatan konvensional. Dengan memasukkan bilirubin oksidase secara langsung ke dalam campuran dakwat cetakan yang sama bagi bahagian sel yang lain, pasukan Jepun itu menghasilkan katod yang stabil dan berprestasi tinggi dalam satu laluan. Ini merupakan kejayaan pertama mencetak bahagian katod yang berfungsi sepenuhnya menggunakan dakwat enzim melalui kaedah cetakan skrin, sekali gus mengatasi hambatan utama terakhir dalam pengeluaran sel biofuel berskala besar.

Prestasi yang Menepati Kehidupan Sebenar

Ujian elektrokimia menunjukkan bahawa prestasi elektrod bercetak jauh mengatasi pilihan konvensional yang dibuat melalui kaedah titisan dan tuangan. Sel biofuel laktat-oksigen lengkap itu mencapai ketumpatan kuasa maksimum 165 mikrowatt per sentimeter persegi dengan voltan operasi 0.63 volt. Angka ini jauh melebihi nilai 96 mikrowatt per sentimeter persegi yang dilaporkan sebelum ini bagi sistem seumpamanya, sekali gus menandakan kemajuan besar dalam kecekapan penuaian tenaga untuk aplikasi boleh pakai.

Ujian kebolehpercayaan turut menunjukkan hasil yang mengagumkan. Elektrod yang dibuat melalui kaedah titisan dan tuangan biasanya merosot sehingga kurang daripada separuh aktiviti awalnya dalam tempoh beberapa minit hingga beberapa jam akibat taburan enzim yang tidak sekata dan lekatan yang lemah pada substrat. Elektrod dakwat enzim menunjukkan kemerosotan minimum sepanjang tempoh ujian yang panjang, dengan prestasi stabil yang penting untuk penggunaan praktikal sebagai peranti boleh pakai.

Sistem ini beroperasi dengan berkesan dalam julat fisiologi kepekatan laktat yang diperhatikan pada individu sihat ketika bersenam, iaitu kira-kira 1 hingga 25 milimol seliter. Keselarasan dengan kimia semula jadi peluh ini penting untuk memastikan peranti tersebut praktikal digunakan dalam keadaan sebenar. Pasukan itu turut menunjukkan kebolehskalaan melalui demonstrasi cetakan berterusan gulung ke gulung yang mencetak kira-kira 1,312 kaki (400 meter) substrat, membuktikan bahawa pendekatan pembuatan itu berfungsi pada skala industri. Ujian penyimpanan pada suhu 5 darjah Celsius dalam keadaan vakum menunjukkan bahawa aktiviti enzim paling terpelihara dalam keadaan tersebut, sekali gus membuka ruang kepada strategi penghantaran produk komersial yang berdaya maju.

Aplikasi dalam Sukan dan Penjagaan Kesihatan

Sensor peluh berkuasa kendiri berpotensi digunakan dalam pelbagai bidang. Dalam sains sukan, pemantauan laktat masa nyata boleh memberikan maklum balas segera tentang intensiti senaman dan keletihan otot tanpa memerlukan atlet berhenti untuk menjalani ujian darah. Jurulatih boleh memantau ambang keletihan, atlet boleh mengoptimumkan rentak, dan beban latihan boleh diselaraskan berdasarkan data biokimia langsung, bukan anggaran. Hubungan antara laktat dalam peluh dengan laktat dalam darah masih rumit, tetapi bagi pemantauan prestasi, korelasinya cukup kuat untuk memberikan maklumat yang boleh dimanfaatkan pada masa ini.

Dalam persekitaran penjagaan kesihatan, pemantauan metabolik berterusan boleh membolehkan pengesanan awal masalah kesihatan. Di rumah jagaan dan kemudahan penjagaan warga emas, pesakit tidak selalu dapat menyampaikan gejala dengan jelas. Dehidrasi, tekanan haba dan jangkitan peringkat awal masing-masing mengubah kimia peluh dengan cara yang boleh diukur. Tampalan kulit berkuasa kendiri yang memantau secara berterusan boleh mengesan perubahan ini beberapa jam sebelum pemeriksaan berkala biasa mengetahuinya. Bagi kakitangan klinikal, keupayaan memberi amaran awal itu bermakna tindakan lebih pantas, pengurangan kes kecemasan yang semakin serius dan hasil pesakit yang lebih baik. Bagi pesakit, tampalan setipis kertas yang hanya perlu dilekatkan pada kulit menghapuskan segala halangan untuk menggunakannya secara konsisten.

Sensor seumpamanya juga boleh menyumbang kepada sistem pencegahan strok haba dengan mengesan tanda amaran metabolik awal apabila cuaca panas menjadikan aktiviti mudah berisiko. Model pemantauan yang mudah dan tidak membebankan ini turut sesuai untuk pemulihan selepas pembedahan dan pengurusan penyakit kronik, dengan membolehkan pengumpulan data yang konsisten, sesuatu yang sebelum ini sukar dikekalkan menggunakan peranti yang bergantung pada bateri.

Kesan terhadap Alam Sekitar dan Ekonomi

Setiap peranti boleh pakai kelihatan kecil secara individu, tetapi kesan keseluruhannya terhadap alam sekitar cukup besar. Dunia menghasilkan kira-kira 68.3 juta tan sisa elektronik pada 2022, dan hanya sekitar 22 peratus dilaporkan dikumpulkan serta dikitar semula dengan sewajarnya. Tampalan tanpa bateri tidak akan menyelesaikan krisis sisa elektronik secara sendirian, terutamanya jika direka untuk sekali guna, tetapi teknologi ini boleh mengurangkan permintaan terhadap bateri kecil dan memudahkan reka bentuk peranti dengan ketara.

Penghapusan bateri sel butang yang mendominasi reka bentuk sensor boleh pakai selama beberapa dekad dapat mengurangkan saiz, kos dan kesan terhadap alam sekitar secara serentak. Bagi tampalan perubatan pakai buang yang kini memerlukan penggantian bateri atau perlu dilupuskan bersama komponen toksik, teknologi ini menawarkan pilihan lebih bersih yang berfungsi sepenuhnya menggunakan bahan kimia yang dihasilkan oleh tubuh.

Dari sudut ekonomi, teknologi ini menjanjikan pengurangan kos yang besar. Jika keseluruhan peranti boleh dihasilkan menggunakan proses cetakan skrin penuh, kos pengeluaran boleh turun kepada kira-kira 10 yen setiap peranti, menjadikan aplikasi boleh pakai pakai buang atau berskala besar berdaya maju dari segi ekonomi. Ini meletakkan teknologi tersebut sebagai bakal pencabar dalam pasaran global peranti perubatan boleh pakai, yang menurut unjuran penganalisis akan melebihi $195 bilion menjelang 2030.

Cabaran Sebelum Dipasarkan

Walaupun hasilnya menjanjikan, lebih banyak usaha diperlukan sebelum sel biofuel berkuasa peluh dapat digunakan secara meluas dalam peranti komersial. Substrat kertas perlu dibuktikan mampu menahan peluh, lenturan dan pergerakan harian tanpa menjejaskan prestasi. Enzim boleh kehilangan keberkesanannya secara beransur-ansur akibat perubahan suhu, pendedahan kepada oksigen dan keadaan persekitaran semasa dipakai. Pasukan itu mengakui bahawa pelaksanaan praktikal mungkin hanya dapat dicapai sekitar 2030 selepas pengoptimuman lanjut, pengesahan dalam tempoh yang panjang dan penyepaduan dengan platform boleh pakai.

Manfaat sebenar bergantung pada tampalan yang selesa dipakai, mengekalkan bacaan yang stabil dan memberikan petunjuk jelas kepada petugas klinikal serta pengguna merentas pelbagai jenis tubuh dan tahap aktiviti. Walaupun demonstrasi gulung ke gulung membuktikan kebolehskalaan pembuatan, peralihan daripada keadaan makmal kepada produk pengguna memerlukan ujian ketahanan yang rapi dan pengesahan klinikal. Para penyelidik menjangkakan syarikat percetakan dan pengeluar peranti penjagaan kesihatan mungkin menjadi pihak yang paling berpotensi menerima pakai teknologi ini setelah halangan terakhir tersebut diatasi.

Jika cabaran ini dapat diatasi, kegunaannya mudah dibayangkan. Penjejakan laktat masa nyata boleh membantu atlet memperhalus usaha mereka, manakala pemantauan metabolik berterusan boleh menyokong persekitaran penjagaan yang paling memerlukan pemantauan pasif dan tidak membebankan. Teknologi ini berpotensi menyumbang kepada pewujudan masyarakat yang lebih selamat dan sihat dengan menjadi asas kepada sensor yang memantau keadaan fizikal seseorang hanya dengan memakainya.

Perkara Utama

• Penyelidik Jepun di Universiti Sains Tokyo menghasilkan dakwat enzim berasaskan air yang membolehkan sel biofuel berkuasa peluh dicetak menggunakan kaedah cetakan skrin satu langkah, dengan prestasi 165 mikrowatt per sentimeter persegi pada 0.63 volt.
• Teknologi ini menghapuskan keperluan bateri dalam sensor boleh pakai dengan menukar laktat dalam peluh kepada elektrik melalui tindak balas enzimatik, dengan kuasa yang mencukupi untuk penghantaran Bluetooth Low Energy.
• Berbeza daripada kaedah pembuatan konvensional berbilang langkah yang menyebabkan variasi antara peranti, dakwat enzim baharu ini membolehkan kedua-dua elektrod dicetak serentak pada substrat kertas, sekali gus berpotensi mengurangkan kos kepada kira-kira 10 yen setiap peranti.
• Sistem ini mengukur kepekatan laktat daripada 1 hingga 25 milimolar, sepadan dengan keadaan senaman sebenar, dan boleh membolehkan pemantauan kesihatan berterusan untuk atlet, pesakit penjagaan warga emas dan pencegahan strok haba.
• Pelaksanaan praktikal disasarkan sekitar 2030, tertakluk pada pengoptimuman kestabilan penyimpanan, pengesahan jangka panjang dan penyepaduan dengan platform boleh pakai.