Un capteur portable révolutionnaire atteint un niveau inégalé d’efficacité de l’énergie solaire
La transpiration, semblable au sang, renferme des informations précieuses sur la santé d’un individu, et heureusement, sa collecte est beaucoup moins intrusive. Cela constitue la base de la création de capteurs de transpiration portables, conçus par Wei Gao, professeur adjoint en ingénierie médicale, chercheur à l’Institut de recherche médicale Heritage et boursier Ronald et JoAnne Willens.
Expansion des mesures de substances et des évaluations des risques pour la santé
Au cours des cinq dernières années, Gao a continuellement amélioré ses dispositifs portables, leur permettant de mesurer différentes substances telles que les sels, les sucres, l’acide urique, les acides aminés et les vitamines. De plus, ces dispositifs peuvent désormais détecter des molécules plus complexes telles que la protéine C-réactive, offrant des évaluations opportunes des risques spécifiques pour la santé. Récemment, Gao a collaboré avec l’équipe de Martin Kaltenbrunner à l’Université Johannes Kepler de Linz en Autriche pour intégrer des cellules solaires flexibles, fournissant de l’énergie à ces biosenseurs avancés.
Le laboratoire de Gao utilise une cellule solaire construite à partir de cristaux de pérovskite, un matériau caractérisé par la même structure chimique que l’oxyde de calcium et de titane. La pérovskite a attiré une attention considérable parmi les développeurs de cellules solaires en raison de plusieurs avantages.
Tout d’abord, elle offre un processus de fabrication plus économique par rapport au silicium, qui a été le matériau principal des cellules solaires depuis les années 1950 et nécessite des procédures de purification importantes.
Deuxièmement, les couches de cellules solaires en pérovskite sont exceptionnellement minces, presque “quasi-2D” selon les termes de Gao, étant jusqu’à 1 000 fois plus minces que les couches de silicium.
Spectres lumineux De plus, la pérovskite peut être adaptée à différents spectres lumineux, allant de la lumière du soleil en extérieur à diverses conditions d’éclairage intérieur.
Le plus important, les cellules solaires en pérovskite présentent un rendement de conversion d’énergie (PCE) plus élevé que le silicium, ce qui signifie leur capacité à convertir une plus grande partie de la lumière reçue en électricité utilisable.
Alors que les cellules solaires en silicium atteignent généralement des niveaux de PCE allant de 26 à 27 pour cent, leur utilisation pratique se situe généralement entre 18 et 22 pour cent. En revanche, le capteur de transpiration portable de Gao équipé d’une cellule solaire en pérovskite flexible établit un record révolutionnaire avec un PCE dépassant 31 pour cent, notamment sous l’éclairage intérieur.
Selon Gao, l’objectif ne dépend pas uniquement de l’utilisation d’une forte lumière solaire pour alimenter leurs dispositifs portables. Ils accordent plutôt la priorité aux scénarios de la vie réelle, comprenant les conditions d’éclairage typiques des bureaux et des maisons. Gao souligne que de nombreuses cellules solaires peuvent présenter une grande efficacité sous un fort ensoleillement mais perdre en performance sous un éclairage intérieur plus faible. Cependant, la cellule solaire en pérovskite flexible intégrée au capteur de transpiration se révèle particulièrement adaptée à l’éclairage intérieur en raison de sa excellente réponse spectrale, étroitement alignée sur le spectre d’émission de l’éclairage intérieur courant.
Défis liés aux batteries lithium-ion et aux cellules solaires en silicium Les premières versions des capteurs de transpiration portables de Gao dépendaient de batteries lithium-ion encombrantes, nécessitant une recharge avec une source d’alimentation externe. Afin de trouver une source d’électricité plus légère et plus durable pour ces dispositifs très sollicités, l’équipe de Gao a exploré l’utilisation de cellules solaires en silicium, mais les a trouvées peu flexibles, inefficaces et dépendantes de conditions d’éclairage puissantes.
Ils ont également expérimenté l’utilisation de l’énergie chimique présente dans la transpiration humaine, la considérant comme un biocarburant facilement disponible, ainsi que l’énergie produite par les mouvements du corps. Cependant, ces approches se sont avérées instables ou exigeaient trop d’efforts de la part de l’utilisateur.
Port prolongé et suivi amélioré des biomarqueurs L’adoption des cellules solaires en pérovskite a révolutionné les capteurs de transpiration de Gao, leur permettant d’être portés en continu pendant 12 heures par jour. Ces capteurs offrent un suivi ininterrompu du pH, du sel, du glucose et de la température, ainsi qu’un suivi périodique (toutes les cinq à dix minutes) du taux de transpiration. Notamment, toutes ces fonctionnalités sont réalisées sans avoir besoin de batteries ou d’une source de lumière spécialement dédiée. De plus, l’utilisation d’une source d’énergie plus légère et moins encombrante a libéré de l’espace dans le dispositif portable pour accueillir plus de détecteurs, permettant ainsi le suivi simultané d’un plus grand nombre de biomarqueurs.
Construction multi-couches et quatre composants interactifs :
Tout comme ses prédécesseurs, le nouveau capteur de transpiration portable est construit selon une approche semblable à l’origami, intégrant des couches distinctes pour différentes fonctions. Le capteur comprend quatre composants clés interagissant entre eux :
1. Gestion de l’alimentation : Ce composant distribue efficacement l’électricité obtenue à partir de la cellule solaire intégrée.
2. Iontophorèse : Le deuxième composant induit la transpiration sans nécessiter d’exercice physique ou d’exposition à des températures élevées pour l’utilisateur. Dans l’étude de Gao, l’iontophorèse était effectuée toutes les trois heures pour assurer un approvisionnement continu en transpiration pour le suivi des biomarqueurs.
3. Mesure électrochimique : Le troisième composant facilite la mesure des différentes substances présentes dans la transpiration.
4. Traitement des données et communication sans fil : Le quatrième composant gère le traitement des données et la communication sans fil, permettant au capteur de se connecter à une application de téléphone portable pour afficher les résultats de suivi en temps réel.
Une fois entièrement assemblé, le capteur mesure 20 x 27 x 4 millimètres et peut supporter les contraintes mécaniques liées à son port sur le corps. Gao souligne que de nombreux éléments du capteur de transpiration, tels que l’électronique et la cellule solaire en pérovskite flexible, sont réutilisables, à l’exception du patch de capteur jetable. Ce patch peut être produit en masse à faible coût grâce à l’impression jet d’encre, permettant une personnalisation en fonction des substances souhaitées par l’utilisateur pour être mesurées dans son corps.
L’application de ces capteurs de transpiration alimentés par l’énergie solaire dépasse largement les capacités des dispositifs de suivi actuels de la forme physique ou de la santé. Ils ont le potentiel de mesurer un large éventail de paramètres. Par exemple, ils peuvent contribuer à la gestion du diabète, car des études ont indiqué que les niveaux de glucose dans la transpiration sont étroitement liés aux niveaux de glucose dans le sang. De plus, ces capteurs peuvent détecter diverses affections telles que les maladies cardiaques, la fibrose kystique et la goutte.
Permettre une surveillance précise du cortisol, des hormones et des métabolites
Leur caractère non invasif et leur capacité à effectuer de multiples mesures à intervalles courts leur permettent d’établir la référence individuelle pour des substances telles que le cortisol, les hormones ou les métabolites de différents nutriments et médicaments.
Une fois que ces niveaux de référence sont établis, toute déviation future peut servir d’indicateur diagnostique plus efficace par rapport à un simple prélèvement sanguin. De plus, en raison de leur coût relativement faible, on est optimiste quant au fait que ces capteurs pourront devenir des outils de diagnostic précieux à l’échelle mondiale, y compris dans les pays en développement.
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