دهها گروه پژوهشی در زمینه نانوتکنولوژی در سراسر جهان بر روی توسعه نانومولدهای الکتریسیته مالشی (TENGs: Triboelectric Nanogenerators) برای برداشت انرژی از ارتعاشات مکانیکی کار میکنند.
علاقه شدید به TENGها ناشی از توانایی آنها برای تبدیل انرژی مکانیکی محیط به الکتریسیته برای برقرسانی به دستگاههای الکترونیکی پوشیدنی، تولید انرژی با استفاده از صدا، شبکههای حسگر، حذف آلودگی هوا با فیلترهای هوای نانومولد پیشرفته، دستگاههای کاشتنی (implantable) پزشکی و دیگر سیستمهای کوچک است.
شکل 1. نمودار مختصری از کاربردهای معمول TENG برای پایش سلامت
(منبع: Wiley; ©Springer; © American Chemical Society; © Elsevier©)
همانطور که پژوهشگران در کاربردهای متعدد نشان دادهاند، TENGها برای پایش سلامتی مانند پایش ضربان قلب، تشخیص تنفس و یا نظارت بر راهرفتن استفاده میشوند. این یادداشت به ترتیب TENGهای پارچهای و غیرپارچهای را به عنوان پایشگران سلامت خود-نیرو (self-powered) پوشش میدهد و انواع محرکهای سلامت شناسایی شده توسط حسگرهای سلامت خود-نیرو مبتنی بر TENG را مورد بحث قرار میدهد. این یادداشت همچنین حوزه TENGهای قابلکاشت در پایش سلامت را نیز بررسی مینماید. در بخش پایانی، نویسندگان درباره طراحی ساختار، مکانیزم سنجش، عملکرد دستگاه و همچنین مزایا و معایب TENGهای قابلکاشت در پایش سلامت بحث و گفتگو میکنند و چالشهای موجود و چشمانداز آینده TENG در پایش سلامت را ترسیم مینمایند.
TENGهای پارچهای پایشگر سلامت خود-نیرو
TENGهای پارچهای دارای مزیتهایی چون نفوذپذیری خوب هوا، انعطافپذیری و تولید در مقیاس زیاد هستند که آنها را برای کاربردهای پوشیدنی بسیار مناسب میسازد. TENGهای پارچهای به عنوان حسگرهای خود-نیرو برای مراقبتهای بهداشتی مانند تشخیص تنفس و پایش خواب استفاده میشود.
TENGهای پارچهای میتوانند با توجه به ساختار دستگاه، به دو نوع طبقهبندی شوند. یک نوع این TENG، پارچهای است که توسط یک یا دو نوع الیاف الکتریسیته مالشی بافته شدهاست. در نوع دیگر، TENG، از دو قطعه تمام پارچه، به عنوان زیر لایه و یا لایه الکتریسیته مالشی استفاده میکند.
شکل 2. الف) نمودار شماتیک نانومولدهای الکتریسیته مالشی هیبریدی (HNG)، ب) تصاویر SEM پارچه ضد تابش الکترومغناطیس رسانا (منبع: Wiley-VCH Verlag ©)
TENGهای پارچهای نه تنها میتوانند بر روی بدن پوشیده شوند، بلکه میتوانند با اسباب و وسایل مثل تختخواب نیز ادغام شوند تا وضعیت سلامت انسان را تحت نظر داشته باشند.
TENGهای غیرپارچهای پایشگر سلامت خود-نیرو
اکثر پایشگرهای سلامت گزارششده مبتنی بر TENG، غیرپارچهای هستند و عموما روی پوست و یا لباس نصب میشوند. برخی از پایشگرهای سلامت مبتنی بر TENG غیرپارچهای خود-نیرو، تنها یک قابلیت حسی دارند، در حالی که برخی دیگر دارای چندین قابلیت هستند. مثل: نظارت بر حرکت ماهیچه یا بدن مثل حرکت مفصل، تمرینات عضلات دو سر بازو و تنفس شکمی، کاربردهای گستردهای در توانبخشی پس از عمل جراحی، ورزش و تناسب اندام دارند. حرکت عضله یا بدن، جابجایی نسبتا زیادی دارد و در نتیجه تشخیص آن برای TENGها نسبتا آسان است.
در مقابل، ضربان قلب و نبض، دامنه نوسان نسبتا کوچکی دارند و این به حسگرهایی نیاز دارد که دارای حساسیت فشار بالا و حد تشخیص پایین باشند تا اطلاعات مربوط به ضربان قلب و نبض به دست آید.
TENGها همچنین برای پایش صوت استفاده شده و به عنوان سمعک عمل میکنند. پایش صوت نه تنها میتواند صداهای گفتاری را در محیطهای پر سر و صدا بلند کند، بلکه میتواند در توانبخشی آوایی نیز مهم باشد.
شکل 3. نمودار شماتیک یک نانومولد الکتریسیته مالشی مبتنی بر حسگر لاکتات (منبع: Wiley-VCH Verlag ©)
گذشته از این، TENGها به عنوان حسگرهای خود-نیرو برای تشخیص مواد شیمیایی مرتبط با مراقبتهای بهداشتی نظیر کربن دیاکسید نیز استفاده میشوند. مکانیزم اصلی برای این نوع حسگر شیمیایی مبتنی بر TENG خود-نیرو، شیمیایی بودن آن است که بر عملکرد TENG تاثیر دارد و میتواند بین خروجی الکتریکی و غلظت شیمیایی ارتباط برقرار کند.
سیستم سنجش خود-نیرو مبتنی بر TENG برای پایش سلامت
در حقیقت TENGهای مورد بحث در بالا، همگی خودشان به صورت خود-نیرو پایش سلامت را انجام میدهند، TENGها همچنین میتوانند به سیستمهای سنجش خود-نیرو با دستگاههای ذخیرهسازی انرژی و حسگرهای سلامتی، برای پایش وضعیت سلامتی مثل ضربان قلب، نبض، دمای بدن، تنفس و غلظت لاکتات تجمیع شوند.
سیستم سنجش سلامت مبتنی بر TENGنه تنها میتواند محرکهای مبتنی بر حرکت را تشخیص دهد بلکه محرکهایی که منشاء حرکت مکانیکی ندارند را نیز تشخیص میدهد، که کاربردهای سنجش سلامت آنها را گسترش میدهد.
در حال حاضر راندمان تبدیل انرژی این دستگاهها رضایتبخش نیست و باید به منظور حصول اطمینان از عملکرد، پیوسته بهبود یابد. مطالعات پیش از این، چندین رویکرد را نشان دادهاند که میتواند عملکرد TENGرا افزایش دهد، که شامل استفاده از مواد نرم (soft materials) با سطح نانوساختار، اصلاح سطح مواد دیالکتریک و ایجاد قطبش دیالکتریک ساختهشده است.
TENGهای قابلکاشت برای پایش سلامت
در سالهای اخیر دستگاههای پزشکی قابلکاشت مانند ضربانساز قلب، پایشگر قلب، حسگرهای خون زیرپوستی و یا پمپهای دارو، به طور مداوم در حال توسعه هستند. با این حال، آنها همچنان با چالشهای بزرگی مثل به حداقل رساندن مصرف انرژی و افزایش طول عمر دستگاه مواجه هستند. امید است نانومولدها چنین چالشهایی را در راه ارائه خدمات به صورت حسگرهای خود-نیرو و یا فعالیت به عنوان منبع نیروی ایمپلنتها مرتفع نمایند. ضربان قلب همانند نبض در رگهای خونی دو نوع رایج از منابع برای TENGهای قابلکاشت به منظور تولید خروجیهای الکتریکی هستند.
شکل 4. الف) نمودار شماتیک ساختار TENG قابلکاشت، ب) نمودار شماتیک مکانیزم TENG برای پایش سرعت جریان خون (منبع: Elsevier ©)
با این وجود، چالشهای چشمگیری در این زمینه وجود دارد. به غیر از خطرات معمول یک عمل جراحی، TENGهای قابلکاشت عموما با یک شکاف گازی (gas gap) میان دو لایه الکتریسیته مالشی تشکیل میشوند، بنابراین هنگامی که آنها در بدن قرار میگیرند بستهبندی دقیق و ایمن، یک الزام اجباری است.
به طور کلی پژوهشگران به این نتیجه رسیدهاند که "TENGها پتانسیل بالایی برای کاربردهای پایش سلامت نشان دادهاند، اما هنوز چالشهای بیشماری وجود دارد که باید قبل از صنعتی شدن و تجاریسازی مورد توجه قرار گیرد. کارهای آینده ممکن است شامل؛ گسترش بیشتر کاربردهای مرتبط با سلامت، بهینهسازی ساختار دستگاه، افزایش حساسیت، بهبود توانایی ضد تداخلی، افزایش پایداری و بهبود سازگاری سیستمهای یکپارچه باشد."