Un Innovador Sensor Portátil Logra Un Nivel Sin Precedentes De Eficiencia De La Energía Solar
Como la sangre, el sudor contiene información valiosa sobre la salud de una persona y, afortunadamente, su recogida es mucho menos intrusiva. Esta es la base de la creación de sensores de sudor portátiles, obra de Wei Gao, profesor adjunto de Ingeniería Médica, investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage y becario Ronald y JoAnne Willens.
Ampliación de la evaluación de sustancias y riesgos para la salud
En los últimos cinco años, Gao ha mejorado continuamente sus dispositivos portátiles, permitiéndoles medir diversas sustancias como sales, azúcares, ácido úrico, aminoácidos y vitaminas. Además, estos dispositivos pueden detectar ahora moléculas más complejas, como la proteína C reactiva, ofreciendo evaluaciones oportunas de riesgos específicos para la salud. Últimamente, Gao ha colaborado con el equipo de Martin Kaltenbrunner, de la Universidad Johannes Kepler de Linz (Austria), para integrar células solares flexibles que proporcionen energía a estos biosensores avanzados.
En su laboratorio, Gao emplea una célula solar construida con cristal de perovskita, un material caracterizado por tener la misma estructura química que el óxido de titanio cálcico. La perovsquita ha suscitado gran interés entre los desarrolladores de células solares por varias ventajas
Por una parte, ofrece un proceso de fabricación más rentable que el silicio, que ha sido el material principal de las células fotovoltaicas desde la década de 1950 y requiere amplios procedimientos de purificación.
Por otro lado, las capas de las células solares de perovskita son excepcionalmente finas, casi “cuasi-2D” en términos de Gao, ya que son hasta 1.000 veces más finas que las capas de silicio.
Espectros de luz
Por otro lado, la perovskita puede adaptarse a diferentes espectros de luz, desde la luz solar exterior hasta diversas circunstancias de iluminación interior.
Y lo que es más importante, las células solares de perovskita presentan una mayor eficiencia de conversión de potencia (PCE) que las de silicio, lo que significa que son capaces de convertir una mayor parte de la luz recibida en electricidad utilizable.
Aunque las células solares de silicio suelen alcanzar niveles de PCE que oscilan entre el 26 y el 27 por ciento, su uso práctico suele quedarse entre el 18 y el 22 por ciento. En cambio, el sensor de sudor portátil de Gao, equipado con una célula solar de perovskita flexible (FPSC), establece un récord revolucionario con un PCE superior al 31%, especialmente bajo iluminación interior.
En palabras de Gao, el objetivo no consiste únicamente en aprovechar la luz solar intensa para suministrar energía a sus wearables. En su lugar, dan prioridad a los escenarios de la vida real, que abarcan las condiciones de iluminación típicas de la oficina y el hogar. Según destaca Gao, muchas células solares pueden ser muy eficientes a plena luz del sol, pero fallar en interiores con una iluminación más débil. Sin embargo, el FPSC integrado en el sensor del sudor resulta muy adecuado para la iluminación de interiores por su excelente respuesta espectral, muy próxima al espectro de emisiones de la iluminación común de interiores.
Dificultades con las baterías de iones de litio y las células solares de silicio
Las anteriores versiones de los sensores de sudor portátiles de Gao utilizaban voluminosas baterías de iones de litio que debían recargarse con una fuente de alimentación externa. Para hallar una fuente de electricidad más ligera y sostenible para estos dispositivos de alta demanda, el equipo de Gao exploró el uso de células solares de silicio, pero descubrió que eran inflexibles, ineficaces y dependían de condiciones de luz intensa.
También probaron a aprovechar la energía de las sustancias químicas presentes en el sudor humano, por considerarlo un biocombustible fácilmente disponible, así como del movimiento corporal. Pero estos métodos resultaron inestables o exigían demasiado esfuerzo al usuario.
Uso más prolongado y mejor control de biomarcadores
La incorporación de los FPSC ha revolucionado los sensores de sudor de Gao, permitiendo llevarlos puestos de forma continua durante 12 horas al día. Estos sensores proporcionan una monitorización ininterrumpida del pH, la sal, la glucosa y la temperatura, junto con una monitorización periódica (cada cinco a diez minutos) de la tasa de sudoración. Todas estas funciones se consiguen sin necesidad de pilas ni de una fuente de luz específica. Además, el uso de una fuente de energía más ligera y menos engorrosa ha abierto espacio en el wearable para más detectores, permitiendo la monitorización simultánea de un mayor número de biomarcadores.
Composición multicapa y cuatro elementos que interactúan entre sí
Como los anteriores, el novedoso sensor de sudor para llevar puesto se ha construido con un método similar al origami, con distintas capas para cada función. El sensor consta de cuatro componentes clave que interactúan entre sí:
Administración de energía: Este componente distribuye eficazmente la electricidad obtenida de la célula solar integrada.
La iontoforesis: El segundo componente induce la sudoración sin necesidad de que el usuario haga ejercicio físico ni se someta a altas temperaturas. En el estudio de Gao, la iontoforesis se realizó cada tres horas para garantizar un suministro continuo de sudor para el seguimiento de los biomarcadores.
La medición electroquímica: El tercer componente facilita la medición de diversas sustancias presentes en el sudor.
Procesamiento de datos y comunicación inalámbrica: El cuarto componente gestiona el procesamiento de datos y la comunicación inalámbrica, lo que permite al transductor interactuar con una aplicación de teléfono móvil y mostrar los resultados de la monitorización en tiempo real.
Una vez ensamblado, el sensor mide 20 x 27 x 4 milímetros y puede soportar la tensión mecánica asociada a su uso en el cuerpo. Gao subraya que muchos elementos del sensor del sudor, como la electrónica y el FPSC, son reutilizables, a excepción del parche sensor desechable. Este parche puede fabricarse en serie a un coste reducido mediante impresión por chorro de tinta, lo que permite personalizarlo en función de las sustancias que el usuario desee medir en su cuerpo.
La célula solar flexible de perovskita que alimenta el sensor de sudor portátil de Wei Gao. Crédito: Stepan Demchyshyn
Estos sensores de sudor alimentados por energía solar tienen aplicaciones que van mucho más allá de las de los actuales dispositivos de seguimiento de la forma física o la salud. Pueden medir una amplia variedad de parámetros. Así por ejemplo, pueden ayudar a controlar la diabetes, ya que los estudios indican que los niveles de glucosa en el sudor guardan una estrecha correlación con los niveles de glucosa en sangre. Además, estos sensores pueden detectar diversas enfermedades, como cardiopatías, fibrosis quística y gota.
Monitorización precisa del cortisol, las hormonas y los metabolitos
La naturaleza no invasiva de estos sensores y su capacidad para realizar múltiples mediciones en intervalos cortos les permite establecer la línea de base de un individuo para sustancias como el adrenalina, las hormonas o los metabolitos de diferentes nutrientes y medicamentos.
Una vez establecidas estas concentraciones de referencia, cualquier desviación futura puede servir de indicador diagnóstico más eficaz que una única extracción de sangre. Además, debido a su coste relativamente bajo, existe el optimismo de que estos sensores puedan transformarse en valiosas herramientas de diagnóstico a escala mundial, incluidos los países en desarrollo.
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