الکترونیک سبز: برچسب حسگر هوشمند از کالاهای حساس محافظت می‌کند

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، محققان Empa، EPFL و CSEM یک برچسب حسگر هوشمند سبز توسعه داده‌اند که دما و رطوبت را به صورت بلادرنگ اندازه‌گیری می‌کند و همچنین می‌تواند تشخیص دهد که آیا از آستانه دما عبور کرده است یا خیر. در آینده، می‌توان از این برچسب برای نظارت بر محموله‌های حساس مانند دارو یا غذا استفاده کرد. خود برچسب حسگر کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر است.

هر روز جریان‌های عظیمی از کالا‌ها در سراسر جهان در گردش هستند. این جریان‌ها شامل محموله‌های حساسی مانند برخی واکسن‌ها، دارو‌ها و محصولات غذایی می‌شوند. برای اطمینان از رسیدن ایمن این محصولات به مقصد، باید در کل زنجیره تأمین در محدوده دما و رطوبت خاصی باقی بمانند. اما چگونه این اطمینان را حاصل کنیم؟ تجهیز تک تک محموله‌ها به حسگر‌ها و تراشه‌های مبتنی بر سیلیکون پرهزینه و ناپایدار است؛ و اندازه‌گیری‌ها در گره‌های زنجیره تأمین چیزی در مورد آنچه که تاکنون برای کالا‌های حساس در مسیرشان اتفاق افتاده است، به شما نمی‌گویند.

محققان Empa، EPFL و CSEM این چالش را در یک پروژه چهار ساله به نام Greenspack مطرح کرده‌اند. آنها با همکاری یکدیگر، یک برچسب حسگر هوشمند توسعه داده‌اند که دما و رطوبت نسبی را اندازه‌گیری می‌کند و می‌تواند زمانی که از یک آستانه دمایی خاص عبور کرده است، آن را "به خاطر بسپارد". این برچسب کوچک نه تنها عاری از سیلیکون است، بلکه کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر نیز می‌باشد. محققان یافته‌های خود را در مجله Nature Communications منتشر کرده‌اند.

مدار‌های الکتریکی با حافظه

این برچسب هوشمند برای انجام وظیفه خود نه به باتری نیاز دارد و نه به فرستنده. در عوض، به روشی مشابه یک تراشه RFID کار می‌کند. این برچسب حاوی مسیر‌های چاپ شده از مواد رسانا است که مدار‌های الکتریکی با عناصر مقاومتی و خازنی را تشکیل می‌دهند. اگر این مدار‌ها در معرض یک میدان الکترومغناطیسی، به عنوان مثال از یک دستگاه برچسب خوان، قرار گیرند، رزونانسی ایجاد می‌شود که می‌تواند توسط دستگاه برچسب خوان رمزگشایی شود.

بخش هوشمندانه‌ی این روش این است که رسانایی و ظرفیت خازنی مدار‌های منفرد بسته به دما یا رطوبت محیط تغییر می‌کند و همچنین رزونانس آنها را تغییر می‌دهد. این تغییر، اطلاعاتی در مورد دما و رطوبت فعلی - بدون هیچ فناوری اندازه‌گیری پیچیده‌ای - ارائه می‌دهد.

اما این تمام ماجرا نیست - محققان همچنین می‌خواستند به برچسب نوعی "حافظه" بدهند. اگر دما از ۲۵ درجه سانتیگراد فراتر رود، یک عنصر کوچک در یکی از مدار‌ها ذوب می‌شود و مدار را به طور جبران‌ناپذیری قطع می‌کند. دفعه بعد که برچسب خوانده می‌شود، نشان می‌دهد: این محموله زمانی خیلی گرم بوده است. گوستاو نیستروم، رئیس آزمایشگاه مواد سلولزی و چوبی Empa، که رهبری این پروژه تحقیقاتی را بر عهده داشت، توضیح می‌دهد: "برای مثال، در مورد واکسیناسیون، این می‌تواند به این معنی باشد که محموله دیگر قابل استفاده نیست یا تاریخ انقضا نامعتبر است. "

این فناوری بار زنجیره تأمین را کاهش می‌دهد و ردپای کربن آن را پایین می‌آورد: کالا‌های آسیب‌دیده بالقوه زودتر شناسایی می‌شوند و نیازی به ارسال بیشتر ندارند. اگر کالا‌ها به دلیل قرار گرفتن در معرض دما، دوام کمتری داشته باشند، در صورت لزوم می‌توان محموله را به مکان نزدیک‌تری هدایت کرد. نیستروم می‌افزاید: «بسته به موادی که استفاده می‌کنیم، می‌توانیم آستانه‌های دمایی مختلفی را تعیین کنیم.» به عنوان مثال، برچسب‌گذاری برای کالا‌های منجمد قابل تصور خواهد بود.

زیست تخریب پذیر و پایدار

پیش‌بینی می‌شود که پس از رسیدن محموله به مقصد، برچسب به کمپوست تبدیل شود یا در بازیافت مقوا گنجانده شود، زیرا کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر است.

محققان Empa یک ماده اختصاصی برای زیرلایه توسعه داده‌اند که شامل یک بیوپلیمر و الیاف سلولزی است. سپس محققان Empa و EPFL از یک جوهر سفارشی حاوی فلز روی زیست‌تخریب‌پذیر برای چاپ عناصر حسگر رسانا استفاده کردند. در همین حال، محققان CSEM روی طراحی برچسب و فناوری خواندن آن کار کردند.

کار با مواد زیست‌تخریب‌پذیر همیشه یک چالش است - آنها فقط باید پس از اتمام کارشان تجزیه شوند. علاوه بر این، اجزای جداگانه برچسب حسگر فقط باید به طور بسیار انتخابی به شرایط محیطی پاسخ می‌دادند: نیستروم می‌گوید: «ما نمی‌خواستیم حسگر دما به رطوبت واکنش نشان دهد و برعکس.» شرکای پروژه با هم در حل این مشکلات موفق شدند.

دو محقق EPFL اکنون با همکاری یک استارت‌آپ به نام Circelec در حال تجاری‌سازی یافته‌های Greenspack هستند. محققان Empa در اطراف Nyström می‌خواهند عمیق‌تر به حوزه الکترونیک سبز بپردازند و پتانسیل برچسب‌های هوشمند را به عنوان حسگر برای کشاورزی و نظارت بر محیط زیست بررسی کنند.