Akhir dari Kecemasan Baterai pada Sensor yang Dapat Dikenakan
Anda tahu kepanikan kecil saat pelacak kebugaran mati tepat ketika Anda mulai berolahraga. Tiba-tiba, perangkat yang seharusnya memantau detak jantung, kalori yang terbakar, dan intensitas olahraga Anda berubah menjadi benda plastik tak berguna di pergelangan tangan. Frustrasi mencari kabel pengisi daya, kerepotan perangkat yang harus terus-menerus diisi ulang dari stopkontak, serta rasa bersalah terhadap lingkungan akibat baterai sekali pakai telah lama menghantui industri teknologi yang dapat dikenakan. Para peneliti di Jepang mengembangkan teknologi yang dapat membuat masalah-masalah ini tak lagi menjadi kendala. Tim di Tokyo University of Science menciptakan tambalan tipis yang dipasang pada kulit dan menghasilkan listrik langsung dari keringat manusia, sehingga sepenuhnya menghilangkan kebutuhan akan baterai isi ulang atau kabel pengisi daya.
Daftar Isi
Terobosan ini berpusat pada tinta enzim berbasis air yang memungkinkan pencetakan saring sel biofuel lengkap pada substrat kertas dalam satu langkah. Penelitian yang diterbitkan secara daring pada 6 Februari 2026 di ACS Applied Engineering Materials ini menunjukkan kerapatan daya puncak sekitar 165 mikrowatt per sentimeter persegi (sekitar 1.065 mikrowatt per inci persegi) pada tegangan 0,63 volt. Daya keluaran ini cukup untuk mengoperasikan biosensor berenergi rendah dan transmisi data nirkabel, yang berpotensi mengubah cara kita memantau kesehatan saat berolahraga, menjalani perawatan klinis, dan beraktivitas sehari-hari. Inovasi ini menandai peralihan mendasar dari energi yang disimpan ke energi yang dipanen, dengan memanfaatkan kimia tubuh sendiri sebagai sumber bahan bakar.
Associate Professor Isao Shitanda, yang memimpin tim peneliti dari Department of Pure and Applied Chemistry, menjelaskan bahwa tujuan mereka adalah mengatasi hambatan manufaktur yang selama bertahun-tahun membuat teknologi serupa hanya berkutat di laboratorium. Dengan menciptakan tinta yang dapat dicetak merata dalam sekali proses, tim ini membuka jalur praktis menuju produksi massal biosensor yang dapat dikenakan tanpa baterai. Pengembangan ini hadir saat nilai pasar global perangkat medis yang dapat dikenakan mendekati US$195 miliar, sementara penghapusan baterai menjadi salah satu tantangan rekayasa paling mendesak di bidang ini.
Mengubah Kimia Tubuh Menjadi Listrik
Perangkat ini disebut sel biofuel enzimatik, atau EBFC, dan menghasilkan listrik dengan memanfaatkan enzim biologis untuk memicu reaksi kimia dalam cairan tubuh. Dalam penelitian ini, bahan bakar utamanya adalah laktat, produk sampingan metabolisme yang terdapat dalam keringat. Saat berolahraga, otot menghasilkan laktat ketika menggunakan glukosa sebagai energi, dan sebagian senyawa ini keluar dari tubuh melalui keringat. Para peneliti Jepang merancang sistem mereka untuk mengukur konsentrasi laktat dalam kisaran sekitar 1 hingga 25 milimolar, rentang yang secara langsung mencerminkan kondisi olahraga nyata, mulai dari aktivitas ringan hingga pengerahan tenaga yang intens.
Proses elektrokimianya sederhana sekaligus elegan. Pada salah satu elektroda, enzim membantu menarik elektron dari molekul laktat. Elektron ini kemudian bergerak melalui rangkaian eksternal dan menghasilkan arus listrik. Pada elektroda seberangnya, oksigen dari udara sekitar menerima elektron tersebut untuk menuntaskan reaksi. Aliran elektron yang terus-menerus ini menyediakan daya yang dapat digunakan untuk sensor dan transmisi data, tanpa memerlukan muatan tersimpan atau sumber daya eksternal. Karena perangkat ini mengandalkan zat kimia yang secara alami diproduksi tubuh, listrik dihasilkan secara pasif selama aktivitas sehari-hari seperti berjalan, berolahraga, atau melakukan pekerjaan rutin.
Penelitian sebelumnya dari kelompok yang sama telah menunjukkan bahwa daya keluaran ini dapat mengoperasikan sistem Bluetooth Low Energy, sehingga perangkat dapat mengirimkan hasil pengukuran laktat dalam keringat secara nirkabel tanpa bantuan baterai. Ini menciptakan siklus pemantauan mandiri: semakin keras Anda beraktivitas, semakin banyak keringat yang dihasilkan, sehingga semakin besar pula daya yang tersedia untuk mengirimkan data tentang kondisi fisik Anda. Hubungan ini sangat bermanfaat untuk pemantauan kesehatan yang dapat dikenakan. Artinya, sensor bekerja lebih kuat tepat ketika tubuh Anda paling membutuhkan pemantauan.
Mengatasi Hambatan Produksi
Selama bertahun-tahun, sel biofuel enzimatik menunjukkan potensi di lingkungan laboratorium, tetapi tantangan manufaktur menghalangi penerapannya secara luas. Metode fabrikasi konvensional melibatkan beberapa tahap yang membutuhkan banyak tenaga kerja. Produsen harus terlebih dahulu mencetak lapisan elektroda karbon, lalu meneteskan larutan enzim dan mediator secara terpisah ke permukaannya, kemudian menunggu hingga lapisan yang tidak merata itu mengering. Proses bertahap ini menimbulkan variasi yang signifikan antarperangkat, sehingga pengendalian mutu sulit dan produksi massal tidak praktis. Perbedaan kecil dalam jumlah cairan yang menempel atau lamanya waktu pengeringan dapat mengubah kinerja daya dan sensor dari satu tambalan ke tambalan lainnya.
Untuk mengatasi tantangan ini, Associate Professor Isao Shitanda bersama timnya, termasuk Ms. Mahiro Omori dari Tokyo University of Science dan Mr. Mitsuru Hanasaki dari RESONAC Co. Ltd, mengembangkan formulasi yang menyatukan tahapan-tahapan rumit tersebut menjadi satu lapisan yang dapat dicetak. Inovasi ini terletak pada pencampuran awal bahan kimia aktif langsung ke dalam tinta cetak, sehingga kedua elektroda dapat dibuat dalam sekali proses dengan mencetaknya melalui kasa ke substrat kertas tipis.
Untuk menghindari teknik fabrikasi EBFC yang padat karya, tidak efisien, dan mahal, kita perlu menghadirkan tinta enzim ke pasar yang dapat dicetak secara merata dan cocok untuk produksi massal.
Pendekatan pencetakan saring ini sudah banyak digunakan dalam manufaktur industri, sehingga teknologi tersebut berpotensi diintegrasikan dengan mudah ke lini produksi yang sudah ada. Formulasi berbasis air ini menghindari pelarut organik yang dapat merusak struktur enzim yang rapuh, sehingga komponen biologis tetap aktif setelah proses pencetakan. Penyederhanaan proses mengurangi variasi antarperangkat dan membuka jalan untuk mengatasi tantangan berikutnya: mengubah hasil cetak laboratorium menjadi sensor tahan lama yang dapat dikenakan dan benar-benar bisa diproduksi pabrik.
Merancang Tinta yang Ideal
Menciptakan tinta enzim yang stabil dan dapat dicetak membutuhkan keseimbangan cermat antara berbagai komponen. Tim peneliti menggabungkan karbon mesopori bertemplat magnesium oksida, bahan berpori dengan luas permukaan sangat tinggi, dengan mediator kimia yang memfasilitasi perpindahan elektron. Mereka menambahkan pengikat berbasis air baru bernama POLYSOL, emulsi polimer yang mengikat kuat pada permukaan karbon sekaligus menjaga lingkungan stabil bagi enzim di dalam struktur berpori. Karboksimetil selulosa digunakan sebagai pengental untuk mencapai kekentalan yang tepat bagi pencetakan saring.
Penambahan karboksimetil selulosa sangat penting. Penelitian terkait yang diterbitkan di Nature menunjukkan bahwa zat tambahan ini meningkatkan kemampuan tinta karbon mesopori untuk terdispersi dan membuat pori-pori internal bahan tersebut lebih mudah diakses. Dalam penelitian sebelumnya, penambahan CMC pada formulasi karbon serupa meningkatkan lebih dari dua kali lipat kerapatan arus maksimum dan menaikkan kerapatan daya lebih dari 2,5 kali dibandingkan elektroda yang dibuat tanpa zat tambahan tersebut.
Aspek yang mungkin paling menantang dalam fabrikasi sel biofuel selama ini adalah katode, yaitu elektroda yang memanfaatkan oksigen dan menjadi tempat elektron menuntaskan rangkaian. Enzim yang menangani oksigen sangat sensitif dan sulit distabilkan dengan metode manufaktur konvensional. Dengan memasukkan bilirubin oksidase langsung ke dalam campuran tinta cetak yang sama untuk seluruh sel, tim Jepang berhasil membentuk katode yang stabil dan berkinerja tinggi dalam sekali proses. Ini merupakan keberhasilan pertama pencetakan saring sisi katode yang berfungsi penuh menggunakan tinta enzim, sekaligus mengatasi hambatan utama terakhir dalam produksi sel biofuel yang dapat ditingkatkan skalanya.
Kinerja yang Sesuai dengan Kehidupan Nyata
Pengujian elektrokimia menunjukkan bahwa elektroda cetak berkinerja jauh lebih baik daripada alternatif konvensional yang dibuat dengan metode tetes. Sel biofuel laktat-oksigen lengkap mencapai kerapatan daya maksimum 165 mikrowatt per sentimeter persegi dengan tegangan operasi 0,63 volt. Hasil ini jauh melampaui nilai 96 mikrowatt per sentimeter persegi yang sebelumnya dilaporkan pada sistem serupa, menandai kemajuan besar dalam efisiensi pemanenan energi untuk aplikasi yang dapat dikenakan.
Uji keandalan menunjukkan hasil yang sama mengesankannya. Elektroda yang dibuat dengan metode tetes biasanya mengalami penurunan aktivitas hingga kurang dari setengah aktivitas awalnya dalam hitungan menit hingga jam, akibat distribusi enzim yang tidak merata dan daya rekat yang buruk pada substrat. Elektroda tinta enzim hanya menunjukkan sedikit penurunan selama periode pengujian yang panjang, dengan kinerja stabil yang penting untuk penggunaan praktis pada perangkat yang dapat dikenakan.
Sistem ini bekerja efektif dalam rentang fisiologis konsentrasi laktat yang teramati pada orang sehat saat berolahraga, yakni sekitar 1 hingga 25 milimol per liter. Kesesuaian dengan komposisi alami keringat ini penting agar perangkat praktis digunakan di dunia nyata. Tim juga menunjukkan bahwa teknologi ini dapat ditingkatkan skalanya melalui demonstrasi pencetakan gulungan-ke-gulungan, yang mencetak substrat sepanjang sekitar 1.312 kaki (400 meter) secara berkelanjutan. Hal ini membuktikan bahwa pendekatan manufaktur tersebut dapat diterapkan pada skala industri. Pengujian penyimpanan pada suhu 5 derajat Celsius dalam kondisi vakum menunjukkan bahwa kondisi tersebut paling baik dalam mempertahankan aktivitas enzim, sehingga membuka kemungkinan strategi pengiriman produk komersial.
Aplikasi di Bidang Olahraga dan Kesehatan
Potensi aplikasi sensor keringat mandiri mencakup berbagai bidang. Dalam ilmu olahraga, pemantauan laktat secara waktu nyata dapat memberikan umpan balik langsung mengenai intensitas olahraga dan kelelahan otot tanpa mengharuskan atlet berhenti untuk menjalani pengambilan sampel darah. Pelatih dapat memantau ambang kelelahan, atlet dapat mengoptimalkan pengaturan tempo, dan beban latihan dapat disesuaikan berdasarkan data biokimia langsung, bukan perkiraan. Hubungan antara laktat dalam keringat dan dalam darah masih rumit, tetapi untuk memantau performa, korelasinya cukup kuat untuk memberikan wawasan yang bisa ditindaklanjuti saat ini.
Di lingkungan layanan kesehatan, pemantauan metabolisme secara berkelanjutan dapat memungkinkan deteksi dini kondisi kesehatan. Di panti jompo dan fasilitas perawatan lansia, pasien tidak selalu dapat menyampaikan gejala dengan jelas. Dehidrasi, stres panas, dan infeksi tahap awal masing-masing mengubah komposisi kimia keringat dengan cara yang dapat diukur. Tambalan kulit mandiri yang memantau secara berkelanjutan dapat menandai perubahan tersebut beberapa jam sebelum pemeriksaan berkala konvensional mendeteksinya. Bagi tenaga klinis, kemampuan memberikan peringatan dini ini berarti intervensi lebih cepat, eskalasi darurat berkurang, dan hasil perawatan pasien membaik. Bagi pasien, tambalan setipis kertas yang cukup ditempelkan di kulit menghilangkan segala hambatan untuk menggunakannya.
Sensor serupa dapat membantu sistem pencegahan sengatan panas dengan mendeteksi tanda peringatan metabolik dini ketika cuaca panas mengubah aktivitas sederhana menjadi kegiatan berisiko. Dalam pemulihan pascaoperasi dan penanganan penyakit kronis, model pemantauan yang tidak merepotkan ini juga dapat diterapkan, sehingga pengumpulan data berlangsung konsisten, sesuatu yang selama ini sulit dipertahankan dengan perangkat yang bergantung pada baterai.
Dampak Lingkungan dan Ekonomi
Setiap perangkat yang dapat dikenakan tampak kecil jika dilihat satu per satu, tetapi dampak lingkungannya secara kolektif cukup besar. Dunia menghasilkan sekitar 68,3 juta ton limbah elektronik pada 2022, dan hanya sekitar 22 persen yang tercatat dikumpulkan serta didaur ulang dengan benar. Tambalan tanpa baterai tidak akan sendirian menyelesaikan krisis limbah elektronik, terutama jika dirancang untuk sekali pakai, tetapi dapat mengurangi kebutuhan baterai berukuran kecil dan menyederhanakan desain perangkat secara signifikan.
Menghilangkan baterai kancing yang selama puluhan tahun mendominasi desain sensor yang dapat dikenakan secara bersamaan mengurangi ukuran, biaya, dan dampak lingkungan. Untuk tambalan medis sekali pakai yang saat ini membutuhkan penggantian baterai atau harus dibuang bersama komponen beracun, teknologi ini menawarkan alternatif yang lebih ramah lingkungan karena sepenuhnya mengandalkan zat kimia yang sudah diproduksi tubuh.
Dari segi ekonomi, teknologi ini menjanjikan penurunan biaya yang drastis. Jika seluruh perangkat dapat dibuat melalui proses pencetakan saring penuh, biaya produksi bisa turun menjadi sekitar 10 yen per perangkat, sehingga aplikasi perangkat sekali pakai atau perangkat yang dapat dikenakan dalam skala besar layak secara ekonomi. Hal ini menempatkan teknologi tersebut sebagai calon pengubah peta persaingan di pasar global perangkat medis yang dapat dikenakan, yang menurut proyeksi analis akan melampaui US$195 miliar pada 2030.
Tantangan Menuju Pasar
Meski hasilnya menjanjikan, masih diperlukan pekerjaan tambahan sebelum sel biofuel bertenaga keringat dapat digunakan secara luas pada perangkat komersial. Substrat kertas harus terbukti mampu menghadapi keringat, tekukan, dan gerakan sehari-hari tanpa kehilangan kinerja. Enzim secara bertahap dapat kehilangan efektivitas akibat perubahan suhu, paparan oksigen, dan kondisi lingkungan selama pemakaian. Tim mengakui bahwa penerapan praktis mungkin baru terwujud sekitar 2030 setelah optimalisasi lebih lanjut, validasi dalam jangka panjang, serta integrasi dengan platform perangkat yang dapat dikenakan.
Manfaat nyata teknologi ini akan bergantung pada tambalan yang nyaman dipakai, mampu menjaga kestabilan hasil pengukuran, dan memberikan sinyal yang jelas kepada tenaga klinis maupun pengguna dengan berbagai tipe tubuh dan tingkat aktivitas. Meski demonstrasi pencetakan gulungan-ke-gulungan membuktikan bahwa manufaktur dapat ditingkatkan skalanya, peralihan dari kondisi laboratorium ke produk konsumen memerlukan pengujian ketahanan yang ketat dan validasi klinis. Para peneliti memperkirakan perusahaan percetakan dan produsen perangkat layanan kesehatan dapat menjadi kandidat kuat untuk mengadopsi teknologi ini setelah hambatan terakhir tersebut teratasi.
Jika tantangan-tantangan ini berhasil diatasi, kegunaannya mudah dibayangkan. Pelacakan laktat secara waktu nyata dapat membantu atlet mengatur intensitas, sementara pemantauan metabolisme berkelanjutan dapat mendukung lingkungan perawatan yang paling membutuhkan pemantauan pasif dan minim beban. Teknologi ini berpotensi membantu mewujudkan masyarakat yang lebih aman dan sehat dengan menjadi dasar sensor yang memantau kondisi fisik seseorang cukup dengan memakainya.
Hal-Hal Utama
- Peneliti Jepang di Tokyo University of Science mengembangkan tinta enzim berbasis air yang memungkinkan pencetakan saring sel biofuel bertenaga keringat dalam satu langkah, dengan daya 165 mikrowatt per sentimeter persegi pada tegangan 0,63 volt.
- Teknologi ini menghilangkan kebutuhan baterai pada sensor yang dapat dikenakan dengan mengubah laktat dalam keringat menjadi listrik melalui reaksi enzimatik, dengan daya yang cukup untuk transmisi Bluetooth Low Energy.
- Berbeda dengan metode manufaktur konvensional bertahap yang menyebabkan variasi antarperangkat, tinta enzim baru memungkinkan kedua elektroda dicetak sekaligus pada substrat kertas, sehingga berpotensi menurunkan biaya menjadi sekitar 10 yen per perangkat.
- Sistem ini mengukur konsentrasi laktat dari 1 hingga 25 milimolar, sesuai dengan kondisi olahraga nyata, dan dapat memungkinkan pemantauan kesehatan berkelanjutan bagi atlet, pasien lansia, serta upaya pencegahan sengatan panas.
- Penerapan praktis ditargetkan sekitar 2030, dengan catatan optimalisasi kestabilan penyimpanan, validasi jangka panjang, dan integrasi dengan platform perangkat yang dapat dikenakan masih perlu dilakukan.
