A mobil technológiák gyors fejlődésével előbb a magunkkal hordozható (portable) infokom eszközök terjedtek el, és ma már nemcsak a hordozható, de a magunkon viselhető (wearable) megoldások is egyre népszerűbbek. Kiegészítőkként, ruhába varrt, beágyazott, testünkbe implantált, vagy csak valahogy „ránk szerelt”, praktikus célokat szolgáló, parányi mikroprocesszorokkal működtetett gépecskékről van szó: adatokat gyűjtenek, fogadnak, továbbítanak.
Viselhető technológiák és szenzorok
A viselhető technológiák első nagy hulláma a fitnesz-tevékenységekhez kötődött, aztán jöttek az okosórák, headsetek és más szórakoztatási célokat szolgáló szerkezetek. A jelenlegi trend a gyakorlatiasabb, hasznosabb megoldások térnyerése, elsősorban az egészségügyben: testi elváltozásokra figyelmeztető pántok, idős személyeket monitorozó tapaszok.
A mobil technológiák mellett az érzékelőtechnológiák, szenzorok és szenzorhálózatok szőlészetektől kórházi berendezésekig, autókig és okostelefonokig ívelő diadalútja segített sokat a viselhető megoldások népszerűségének növekedésében.
A környezetében történő eseményeket vagy változásokat észlelő, környezeti állapotokat mérő, az adatokat más elektronikus eszközökre továbbító, általában kicsi szerkezetek sikerét társadalmilag egészségügyi és környezetvédelmi okok, gazdasági szempontból ipari és mezőgazdasági tevékenységek, valamint a közlekedés automatizálása indokolják. A szenzorokat mindig más eszközökkel vagy egyenesen azokba integrálva használjuk, tervezésükkor fontos szempont, hogy minimális vagy semmilyen hatással ne legyenek az általuk megfigyeltekre: növényre, állatra, emberre, bármire.
A klímaváltozással egyre fontosabb szerephez jutnak az egészségügyi célokat szolgáló, szenzorokkal működő viselhető technológiák. A Kaliforniai Technológiai Intézetben (Caltech) is ilyet, az emberi izzadást mérő megoldást fejlesztenek. A fejlesztést vezető Wei Gao öt éve dolgozik rajta, a munkában a linzi Johannes Kepler Egyetem is részt vesz.
Miért ideális a perovszkit napelem?
A vérhez hasonlóan, az izzadás/verejték is nagyon sokat elárul egy ember egészségi állapotáról. Ugyanakkor, ellentétben a vérrel, az adatgyűjtéshez nincs szükség beavatkozásra, invazív módszerre. Gao viselhető technológiájának ez az egyik nagy ígérete. A kutató az évek során folyamatosan új funkciókkal bővítette eszközét, amely ma már a só, a cukor, a húgy- és aminosavak szintje mellett komplexebb molekulákat, például vitaminokat, fehérjeszinteket is mér. Ha a mérések időben készülnek, a technológiával egészségügyi kockázatok, betegségek előzhetők meg.
A legfrissebb újítás, hogy Gao és a linzi kutatók rugalmas napelemmel „vértezték fel” a magunkon viselhető bioszenzort. És ezzel, bizonyítva, hogy mennyire összetett technológia megoldásról van szó, újabb szakterület, az anyagtudomány is „színre lépett.”
A napelem ugyanis perovszkit kristályból készült. Maga a perovszkit kalcium-titanát oxidásvány, Gustav Rose német ásványkutató 1839-ben fedezte fel az Urál-hegységben, nevét a szintén ásványkutató, orosz Lev Alekszejevics Perovszkijről kapta.
A perovszkit több okból felkeltette a napelem-fejlesztők érdeklődését, nem véletlen, hogy az 1950-es évek óta a napelemek elsőszámú anyaga, a napenergia villamosenergiává alakításához perovszkit-elemeket használnak aktív energiagyűjtő rétegként. Gyártása olcsóbb, mint a szilíciumé, amelyet ráadásul többszörösen és nagymértékben kell tisztítani. Másrészt, legalább ezerszer vékonyabb a szilícium napelem-rétegeknél, Gao szerint rétegei „kvázi kétdimenziósak.” Harmadrészt, a perovszkit a külső napfénytől a belső megvilágítás változatos típusaiig, különböző világítási spektrumokhoz hangolható.
Negyedik és a napenergia úttörői számára legfontosabb ok, hogy a belőle készült napelemek hatékonyabban alakítják át az energiát, azaz nagyobb az energia-átalakítási hatékonyságuk (power conversion efficiency, PCE), mint a szilíciumé. A fény nagyobb részéből lesz felhasználható elektromos áram. Szilícium napelemek maximum 26-27 százalékos PCE-szintet érnek el, ami a mindennapos használatban csupán 18-22 százalékot jelent.
Ezzel szemben, a viselhető izzadásérzékelő rugalmas perovszkit napeleme (flexible perovskite solar cell, FPSC) belső fényviszonyok közötti 31 százalékával rekordot döntött. Gao elmondta, hogy nemcsak erős napfénnyel akarják működtetni a szenzort, hanem olyan valóvilág-forgatókönyvekre is gondolnak, mint az irodai vagy az otthoni világítás.
A lítium-ion elemektől a perovszkitig
Sok napelem erős napfényben nagyon hatékony, belső világításviszonyok mellett viszont lényegesen rosszabbul teljesítenek. Az FPSC ezekben a közegekben tökéletesen működik, mert jól illeszkedik az átlagos beltéri világítás-emissziós spektrumhoz.
A perovszkit napelem komoly újítás a szenzor lítium-ion elemekkel működő korábbi változataihoz képest. Nagyobbak voltak, újratöltésükhöz külső áramforrás kellett. Gao könnyebb, újrahasznosíthatóbb megoldást keresve, először szilíciumalapú napelemekkel próbálkozott, amelyek merevnek bizonyultak, és nagyon függtek az erős napfénytől, ráadásul nem is voltak elég hatékonyak.
A kutatók az emberi verejtékben lévő vegyi anyagokból – könnyen beszerezhető bioüzemanyagból – és az emberi mozgásból szintén igyekeztek energiát termelni, de azok vagy nem voltak elég stabilak, vagy túl sok erőfeszítést igényeltek a technológia viselőjétől.
Így jutottak el a perovszkit napelemig.
Hatékonyabb lesz, mint a vérvétel
A szenzor napi tizenkét órában viselhető, a pH-t, a só-, a szőlőcukor-tartalmat és a testhőmérsékletet folyamatosan, az izzadság ütemét periodikusan, minden öt-tíz percben képes mérni. Csak egy elem kell hozzá, nincs szükség speciális áramforrásra. Mivel az elem kisebb és könnyebb, az érzékelő más detektorokkal bővíthető, és így viselője egészségi állapotáról még részletesebb kép dolgozható ki. Ezek a szerkentyűk egyszerre, egymással párhuzamosan működnek.
A 20x27x4 milliméteres szenzort origamiszerűen szerelték össze, rétegei különféle folyamatokra használhatók. Egymással interakciókat folytató négy alkatrészből áll. Az első energiagazdálkodással, a második az izzadással foglalkozik (a felhasználónak semmilyen külön testmozgást nem kell végeznie hozzá), a harmadik teszi lehetővé a verejtékben lévő anyagok elektrokémiai mérését. A negyedik feladata az adatfeldolgozás és a vezeték nélküli kommunikáció az okostelefonos alkalmazással.
Egy kivétellel mindegyik alkatrész újrahasznosítható, így az érzékelő a környezetvédelmi feltételeknek is teljesen megfelel. A kivétel maga a tapasz, amely kívánságunk szerint személyre szabható – eldönthetjük, hogy mit akarunk leginkább méretni.
Ha a viszonylag olcsó érzékelő kereskedelmi forgalomba kerül, sokkal hatékonyabb munkát fog végezni, mint bármelyik jelenlegi fitnesz- vagy egészség-figyelő viselhető szenzor. Cukorbetegségtől kezdve szívproblémákig, köszvényig, számos bajról informál, és hatékonyabb lesz, mint a vérvétel. Ráadásul, azzal ellentétben, nem invazív technológia.
