An Energy-Autonomous Chemical Oxygen Demand Sensor Using a Microbial Fuel Cell and Embedded Machine Learning

The current methods of water quality monitoring tend to be costly, labor-intensive, and off-site. Also, they are not energetically sustainable and often require environmentally damaging power sources such as batteries. Microbial fuel cell (MFC) technology is a promising sustainable alternative to combat these issues due to its low cost, eco-friendly energy generation, and bio-sensing features. Extensive work has been done on using MFCs as bio-sensors or sources of power separately. However, little work has been done toward using MFCs for both applications at the same time. Additionally, previous studies using MFCs for water quality measurement have been mostly limited to laboratory conditions due to the biochemical complexity of the real-world. Another limitation of MFCs is how little power they can generate, requiring the MFC-based systems to have minimal power consumption. This work addresses these challenges and presents an energy-autonomous water quality sensing unit that uses a single MFC both as its sensory input and the sole source of power for computing the chemical oxygen demand (COD). In the proposed unit, geometric features of the voltage profile of the MFC (e.g., peak heights) are used as the inputs to a machine learning algorithm (support vector regression (SVR)). The electrical power generated by the MFC is used to drive a low-power microcontroller which logs the MFC voltage and runs the machine learning algorithm. Experimental evaluation showed that the device is capable of detecting the COD of natural pond water samples accurately (coefficient of determination (R 2 )=0.94). This work is the first demonstration of energy autonomy in an MFC-based sensing unit for measuring water quality and represents a step forward in the development of energy-autonomous sensors for environmental monitoring applications

Urine in bioelectrochemical systems: An overall review

In recent years, human urine has been successfully used as an electrolyte and organic substrate in bioelectrochemical systems (BESs) mainly due of its unique properties. Urine contains organic compounds that can be utilised as a fuel for energy recovery in microbial fuel cells (MFCs) and it has high nutrient concentrations including nitrogen and phosphorous that can be concentrated and recovered in microbial electrosynthesis cells and microbial concentration cells. Moreover, human urine has high solution conductivity, which reduces the ohmic losses of these systems, improving BES output. This review describes the most recent advances in BESs utilising urine. Properties of neat human urine used in state‐of‐the‐art MFCs are described from basic to pilot‐scale and real implementation. Utilisation of urine in other bioelectrochemical systems for nutrient recovery is also discussed including proofs of concept to scale up systems

Optimisation of Microbial Fuel Cells (MFCs) through bacterial-robot interaction

For over 100 years, Microbial Fuel Cells (MFCs) have been developed as eco-friendly alternatives for generating electricity via the oxidation of organic matter by bacteria. In the early 2000s, collectives of MFCs were proven fea-sible energy providers for low-power robots such as Gastrobot and EcoBots. Even though individual MFC units are low in power, significant progress has been achieved in terms of MFC materials and configurations, enabling them to generate higher output levels. However, up to this date, MFCs are produced and matured using conventional laboratory methods that can take up to three months to bring the MFCs to their maximum power aptitudes. In this work, an approach to use a low-cost (£1.5k) RepRap liquid handling robot called EvoBot was employed with the aim to automate the maturing process of MFCs and allow them to reach their maximum power ability in a shorter time span. Initially, the work focused on establishing an interface and interconnection between the living cells (in the MFC) and the robotic platform, and investigating whether the MFC voltage can trigger a feedback loop feeding mechanism. It was shown that the robot successfully matured the MFCs in just 6 days and, they were also 1.4 times more powerful than conventionally matured MFCs (from 19.1 mW/m2 to 26.5 mW/m2). This work took a rounded approach in improving the overall MFC perfor-mance. 3D-printable materials that can emerge from EvoBot were investi-gated for fabricating MFCs. MFCs employing these materials improved their power output by almost 50% (from 66μW to 130 μW) compared to the ones based on conventional, fluorinated materials. Furthermore, EvoBot was able to improve the fuel supply frequency and composition using evolutionally algorithms. For the first time, this project has demonstrated that the fabrica-tion, maintenance and power generation of MFCs can be optimised via the interaction and support of a dedicated robotic system

Fundamentals, Applications, and Future Directions of Bioelectrocatalysis

Bioelectrocatalysis is an interdisciplinary research field combining bio-catalysis and electrocatalysis via the utilization of materials derived from biological systems as catalysts to catalyze the redox reactions occurring at an electrode. Bioelectrocatalysis synergistically couples the merits of both biocatalysis and electrocatalysis. The advantages of biocatalysis include high activity, high selectivity, wide substrate scope, and mild reaction conditions. The advantages of electrocatalysis include the possible utilization of renewable electricity as an electron source and high energy conversion efficiency. These properties are integrated to achieve selective biosensing, efficient energy conversion, and the production of diverse products. This review seeks to systematically and comprehensively detail the fundamentals, analyze the existing problems, summarize the development status and applications, and look toward the future development directions of bioelectrocatalysis. First, the structure, function, and modification of bioelectrocatalysts are discussed. Second, the essentials of bioelectrocatalytic systems, including electron transfer mechanisms, electrode materials, and reaction medium, are described. Third, the application of bioelectrocatalysis in the fields of biosensors, fuel cells, solar cells, catalytic mechanism studies, and bioelectrosyntheses of high-value chemicals are systematically summarized. Finally, future developments and a perspective on bioelectrocatalysis are suggested

Internet of Things in Agricultural Innovation and Security

The agricultural Internet of Things (Ag-IoT) paradigm has tremendous potential in transparent integration of underground soil sensing, farm machinery, and sensor-guided irrigation systems with the complex social network of growers, agronomists, crop consultants, and advisors. The aim of the IoT in agricultural innovation and security chapter is to present agricultural IoT research and paradigm to promote sustainable production of safe, healthy, and profitable crop and animal agricultural products. This chapter covers the IoT platform to test optimized management strategies, engage farmer and industry groups, and investigate new and traditional technology drivers that will enhance resilience of the farmers to the socio-environmental changes. A review of state-of-the-art communication architectures and underlying sensing technologies and communication mechanisms is presented with coverage of recent advances in the theory and applications of wireless underground communications. Major challenges in Ag-IoT design and implementation are also discussed

Embedding a Grid of Load Cells into a Dining Table for Automatic Monitoring and Detection of Eating Events

This dissertation describes a “smart dining table” that can detect and measure consumption events. This work is motivated by the growing problem of obesity, which is a global problem and an epidemic in the United States and Europe. Chapter 1 gives a background on the economic burden of obesity and its comorbidities. For the assessment of obesity, we briefly describe the classic dietary assessment tools and discuss their drawback and the necessity of using more objective, accurate, low-cost, and in-situ automatic dietary assessment tools. We explain in short various technologies used for automatic dietary assessment such as acoustic-, motion-, or image-based systems. This is followed by a literature review of prior works related to the detection of weights and locations of objects sitting on a table surface. Finally, we state the novelty of this work. In chapter 2, we describe the construction of a table that uses an embedded grid of load cells to sense the weights and positions of objects. The main challenge is aligning the tops of adjacent load cells to within a few micrometer tolerance, which we accomplish using a novel inversion process during construction. Experimental tests found that object weights distributed across 4 to 16 load cells could be measured with 99.97±0.1% accuracy. Testing the surface for flatness at 58 points showed that we achieved approximately 4.2±0.5 um deviation among adjacent 2x2 grid of tiles. Through empirical measurements we determined that the table has a 40.2 signal-to-noise ratio when detecting the smallest expected intake amount (0.5 g) from a normal meal (approximate total weight is 560 g), indicating that a tiny amount of intake can be detected well above the noise level of the sensors. In chapter 3, we describe a pilot experiment that tests the capability of the table to monitor eating. Eleven human subjects were video recorded for ground truth while eating a meal on the table using a plate, bowl, and cup. To detect consumption events, we describe an algorithm that analyzes the grid of weight measurements in the format of an image. The algorithm segments the image into multiple objects, tracks them over time, and uses a set of rules to detect and measure individual bites of food and drinks of liquid. On average, each meal consisted of 62 consumption events. Event detection accuracy was very high, with an F1-score per subject of 0.91 to 1.0, and an F1 score per container of 0.97 for the plate and bowl, and 0.99 for the cup. The experiment demonstrates that our device is capable of detecting and measuring individual consumption events during a meal. Chapter 4 compares the capability of our new tool to monitor eating against previous works that have also monitored table surfaces. We completed a literature search and identified the three state-of-the-art methods to be used for comparison. The main limitation of all previous methods is that they used only one load cell for monitoring, so only the total surface weight can be analyzed. To simulate their operations, the weights of our grid of load cells were summed up to use the 2D data as 1D. Data were prepared according to the requirements of each method. Four metrics were used to evaluate the comparison: precision, recall, accuracy, and F1-score. Our method scored the highest in recall, accuracy, and F1-score; compared to all other methods, our method scored 13-21% higher for recall, 8-28% higher for accuracy, and 10-18% higher for F1-score. For precision, our method scored 97% that is just 1% lower than the highest precision, which was 98%. In summary, this dissertation describes novel hardware, a pilot experiment, and a comparison against current state-of-the-art tools. We also believe our methods could be used to build a similar surface for other applications besides monitoring consumption

Development of a handheld breath analyser for the monitoring of energy expenditure

Metabolic rate is not routinely assessed in healthcare for the general population, nor is it a measure commonly recorded for in-patients (incorrect feeding can slow post-operation recovery rate). For the general community, this lack of knowledge prevents the accurate determination of calorific need and is a factor contributing towards the onset of an overweight and an increasingly obese population. In the UK alone, obesity costs the National Health Service a staggering £5 billion annually. In this thesis a novel low-cost hand-held breath analyser is presented in order to measure human energy expenditure (EE). A unique optical CO2 sensor was developed, capable of sampling exhaled breath with a fast response time ~1 s and resilience to a humidity range of ~30 % to near saturated. The device was tested in a laboratory gas testing rig and a detection limit of ~25 ppm CO2 was measured. A low power metal oxide sensor (~100 mW) was developed to detect volatile organic compounds (VOCs) in the breath, for disease detection and investigation of the variation of inter-individual metabolism processes. The device was sensitive to acetone (100 to 300 ppm, which is a biomarker for type-I diabetes). Other VOCs, such as NO2 were tested (10 to 250 ppb). Further work includes investigating the inter-individual variance of metabolism processes, for which the metal oxide sensor would be well-suited. Software was developed to operate the gas testing rig and acquire sensor output data in real-time. An application was written for smartphones to enable EE measurements with the breath analyser, outside of a laboratory environment. Three hand-held analysers were constructed and tested with a trial of 10 subjects. A counterpart (benchmark) unit with medical grade commercial sensors (cost of ~£2500) and hospital respiratory rooms (reference) were included in the trial. The newly developed analysers improved upon the performance of the benchmark system (average EE measurement error +2.4 % compared to +7.9 %). The affordable device offered far greater accuracy than the traditional method often used by practitioners (predictive equations, error +41.4%). It is proposed a set of periodic (hourly) breath measurements could be used to determine daily EE. The EE analyser and associated low-cost sensors developed in this work offer a potential solution to halt the growing cost of an obese population and provide point-of-care health management

Determination of Time Dependent Stress Distribution on Potato Tubers at Mechanical Collision

This study focuses on determining internal stress progression and the realistic representation of time dependent deformation behaviour of potato tubers under a sample mechanical collision case. A reverse engineering approach, physical material tests and finite element method (FEM)-based explicit dynamics simulations were utilised to investigate the collision based deformation characteristics of the potato tubers. Useful numerical data and deformation visuals were obtained from the simulation results. The numerical results are presented in a format that can be used for the determination of bruise susceptibility magnitude on solid-like agricultural products. The modulus of elasticity was calculated from experimental data as 3.12 [MPa] and simulation results showed that the maximum equivalent stress was 1.40 [MPa] and 3.13 [MPa] on the impacting and impacted tubers respectively. These stress values indicate that bruising is likely on the tubers. This study contributes to further research on the usage of numerical-methods-based nonlinear explicit dynamics simulation techniques in complicated deformation and bruising investigations and industrial applications related to solid-like agricultural products

Біотехнологічні основи отримання електрики у рослинно-мікробних біосистемах

Катастрофічні наслідки глобальної зміни клімату: аномальна спека і затоплення, руйнівні урагани і посуха, які стали відчутні в кожному куточку планети в останні роки та прогнозоване затоплення цілих країн спонукають людство шукати нові екологічно безпечні енергоефективні технології із скороченням викидів парникових газів. В рамках переходу на нову стратегію вуглець-нейтральності, вагома роль відводиться біотехнологічним альтернативним джерелам енергії та озелененню, що визначається як важливий інструментарій боротьби, як з наслідками, так із причинами глобальної зміни клімату. В планах розвитку закладаються нові екологічні принципи екоміст із енергоефективними будинками та зеленими дахами на будівлях. В даному контексті розвиток інноваційної біотехнології рослинно-мікробної біоелектрики для будинків та зелених дахів і природних екосистем, що представлене у дисертаційній роботі, має велику актуальність та практичне значення. Дослідження отримання біоелектрики із зелених насаджень як різновиду альтернативної енергетики швидко розвивається протягом останнього десятиліття. Оскільки теоретично розрахований максимум потужності енергії рослинно-мікробної біотехнології поки що недосягнутий, а також, актуальними є проблеми економічності і компактності та запобігання сезонним втратам електроенергії, важливими є експерименти, які спрямовані в напрямку їх вирішення. Дисертаційна робота присвячена розробці нової і екологічно безпечної, ефективної та бюджетної біотехнології рослинно-мікробної біоелектрики для енергоефективних будинків і їх дахів та оцінці біоелектропродуктивного потенціалу природних екосистем in situ. Сконструйовано кілька нових ефективних біосистем генерації біоелектрики для цілорічного використання у будинках і зелених дахах та досліджено їх ефективність в залежності від низки чинників: біологічних (внесення активних мікроорганізмів і аннелід, розвитку зеленої та кореневої біомаси, росту і виду рослин), технологічних (електродних матеріалів, способів підключення та структури біомодуля) та чинників середовища (температури і кількості опадів). Застосування бюджетних матеріалів в конструюванні біосистем, в тому числі, відходів електротранспорту як катодів, відходів харчової промисловості як контейнерів, а також, насіння рослин і саджанців широко поширених рослин та простих субстратів здешевлюють вартість біотехнології отримання біоелектрики без втрат ефективності. Біосистема, базована на водному подорожнику Alisma plantago-aquatica та її природних ризосферних мікроорганізмів дає змогу отримувати біоелектрику протягом всього року у енергоефективних будинках всередині приміщення. Показано високу кореляцію між генерацією біоелектрики та ростом рослин (коефіціент Пірсона становив від 0.67 до 0.98 в залежності від умов). Електропродуктивність біотехнологічних систем найвища у весняно-літній період та початок осіннього періоду в час найбільшої фотосинтетичної активності рослин. Найвища зафіксована сила струму рівна 58.6 мА при зовнішньому навантаженні 10 та максимальна потужність енергії 0.702 мВт/м PGA (plant growth area) при 200. Завдяки використанню саджанців рослин біотехнологія ефективно працює з перших днів після інсталяції та практично на повну потужність через 2 тижні після внесення в субстрат паростків рослин. Сезонне зниження продукції біоелектрики рівне 8.71% в при температурі 21±3°С та додатковим освітленням (12 годин). На закритих терасах та засклених балконах, що не опалюються, при різких температурних коливаннях від 5 до 26°С, продукція біоелектрики знижується в осінньо-зимовий період 39.91% без внесення сульфатредукуючих бактерій та на 19.98% із додаванням сіркобактерій. Біотехнологічна система продовжує генерувати біоелектрику і після загибелі рослин та припинення їх фотосинтетичної активності завдяки активності електрогенеруючих мікрооорганізмів, ймовірно, за рахунок рослинного опаду і накопичених запасних речовин та під індукцією бактерій Desulfovibrio sp. Даний факт відкриває перспективи бактерій Desulfovibrio sp. як важливого інструменту підсилення функціональності біосистем генерації біоелектрики. Біотехнологічна система з Festuca arundinacea ефективна круглорічно, а сезонне зниження рівня біоелектрики складає 13.18 %. Біосистема з F. arundinacea характеризувалася на 20.95 % вищою потужністю та була в 1.5 раз більш економічно вигідною, ніж біосистема з A. plantago-aquatica, що дає можливість використовувати її в енергоефективних будинках всередині як джерело біоелектрики. Коефіціент Пірсона показує високу кореляцію розвитку рослин та генерації біоелектрики біосистемою і складає 0.85. Біосистеми з A. plantago-aquatica та F. arundinaсea є фундаментом для розробки біосистем енергоживлення приладів, які споживають 50 – 100 мА та для LED-освітлення всередині будинків. Позитивний ефект бактерій Desulfovibrio sp. та аннелід Lumbricus terrestris як енхансерів, які підвищують генерацію біоелектрики біосистем з A. plantago- aquatica та C. palustris складав до 32.83% та 14.32% відповідно. Вперше досягнуто прогресу в компактності та кількості модулів біосистем при збереженні виходу біоелектрики. Показано позитивний вплив збільшення площі електродів та скорочення міжелектродної відстані на величини отримуваної біоелектрики в біосистемі, що виявлявся в різній мірі при різних застосовуваних опорах. При послідовному з’єднанні трьох та шести багатоелектродних біосистем напруга зростала в 2.9 – 6.3 раз, відповідно. При паралельному з’єднанні двох багатоелектродних біосистем сила струму зростала в 2.1 рази. Збільшення площі електродів одного біомодуля в 10 разів призводить до збільшення питомої потужності при 200 Ом в 3.95 раз. Продемонстровано зростання показників біоелектрики до 1.8 раз із скороченням відстані між електродами від 10 см до 1 см як при використанні опорів, так і без застосування навантаження (P < 0.05). Досліджені закономірності дозволили розробити ефективний та компактний 0.6 л 4-електродний біомодуль шляхом паралельного з’єднання двох катодів та паралельного з’єднання двох анодів з розмірами 12х9.5х5.5 см. Біомодуль характеризувався в середньому 1.02 ± 0.03 В в умовах відкритого кола та струмом короткого замикання 3.79 ± 0.11 мА. На його основі було розроблені дво- і три-модульні багатоелектродні біосистеми, базовані на пряних чи декоративних рослинах Ocimum basilicum і Helsinia soleirolii, які служили автономним та екологічно чистим джерелом живлення для кімнатної метеостанції, цифрового годинника, цифрового термометра/гігрометра та світлодіодів в режимі реального часу, заміняючи батарейки 1.5 В та 3.0 В. Максимальні зафіксовані значення густини струму в тримодульній біосистемі становили 407 мА/м2 та густини потужності 188 мВт/м2 PGA. Показана можливість та перспективність використання мохів як біокомпонента біосистем на дахах. Температура повітря та кількість опадів сукупно мали суттєвий вплив на функціонування даних біосистем на дахах та генерацію ними біоелектрики. Біосистеми з мохами функціонували на повну потужність при температурі вище +10°С та відсутності тривалих посух. Біосистеми, де конфігурація електродів забезпечувала в 1.65 рази більшу площу контакту з субстратом, дозволяли отримувати вищі в 1.22 рази значення біоелектрики. Проте технологічно їх контакти між електродами є більш вразливими до пошкодження силою розширення замерзлої води та вони в більшій мірі виходили з ладу після зимового періоду. Було вдосконалено структуру біомодулей і розроблено біосистеми, які функціонують з стабільними параметрами після зимового періоду. Осока шершаволиста Carex hirta є оптимальним біокомпонентом біосистем генерації біоелектрики для експлуатації у відкритому ґрунті на дахах, оскільки є зимостійкою, виживає в посушливих умовах та швидко відновлює електроактивність після зволоження. Біосистема на основі осоки C. hirta характеризувалися максимальною потужністю 950 мВт/м2 PGA та була ефективнішою в 1.7 разів від системи на основі мохів, що розкриває перспективи її використання для генерації біоелектрики на дахах при температурі вище 0oС та кількості опадів 5 мм/день. Тип кореневої системи, і, зокрема, наявність розвинутої мичкуватої кореневої системи чи кореневища, а також, високе накопиченням фотосинтетичної і кореневої маси є важливими прогностичними факторами для вибору ефективного рослинного біокомпонента для біосистем. Показано перспективність екосистем лісів, екосистем заболочених луків, агроекосистем фруктових дерев і садових кущів та агрокультур Zea mays, а також, урбоекосистем паркових та лісопаркових зон, техногенно забруднених газонів розділяючих зелених смуг з помірним забруднення важкими металами вздовж автомагістралей міста як джерела поновлюваної та стабільної зеленої енергії в кліматичних умовах заходу України. Біоелектрика фітомікробоценозів агрокультур, сильно забруднених газонів вздовж автотрас та біотопів занедбаних паркових зон з ущільненим ґрунтом внаслідок антропогенного навантаження була нижчою на 9.18%, 14.43% та 20.29% відповідно від біотопів екосистем лісу (P < 0.05). Фітомікробоценоз зелених смуг вздовж автотрас є високорезистнимим до забруднення важкими металами. Суттєве зниження їх біоелектропродуктивності спричиняється забрудненням лише одночасно кількома металами високого класу небезпеки, що перевищують ГДК (гранично допустиму концентрацію) більше як в 10 разів. Даний факт відкриває перспективи цього фітомікробоценозу як джерела електрики, оскільки даний тип забруднення зустрічається лише на невеликому сегменті розділяючих зелених смуг вздовж автотрас. Вперше розроблено біосистеми на основі нової пари електродів: графітових катодів і перфорованих оцинковано-сталевих анодів та на їх основі багатоелектродні біомодулі. Розроблена біотехнологія є основою для автономних датчиків і систем моніторингу екосистем, біоіндикаторів їх стану та LED (light emitting diod) освітлення як для енергоефективних будинків, так і для використання in situ. Біотехнології в землях сільськогосподарського призначення можуть служити єдиним джерелом енергії для датчиків вологості ґрунту, інноваційних систем моніторингу за складом ґрунту і ростом рослин та автономних систем поливу. В містах рослинно-мікробна біоелектрика може забезпечувати LED освітлення паркових територій та дитячих майданчиків, живити придорожнє освітлення. Застосування пряних і декоративних рослин в складі запропонованої біотехнології надає їй подвійне практичне значення: як поновлювального джерела електрики, а також для декорування приміщень або для кулінарії. Використання рослинно-мікробних біосистем замість батарейок для живлення приладів дозволяє суттєво знизити витрати ресурсів на виробництво батарейок та нівелювати проблему їх утилізації. Впровадження біосистем в енергоефективних будинках та природних екосистемах має істотне значення для зменшення емісії парникових газів через зниження експлуатації традиційних відновлювальних джерел енергії. Запропонована ідея комбінації паралельно-послідовного з’єднання багатоелектродних біосистем та редукування міжелектродної відстані є ефективним способом максимізації отриманої рослинно-мікробної біоелектрики. Розкритий потенціал екосистем in situ та сконструйовані біотехнології для енергоефективних будівель містять нові підходи в біологічному і технологічному компонентах, що мають прогрес у економічності, ефективності і цілорічному зборі біоелектрики, відкриваючи широкі перспективи для подальшого вдосконалення збору рослинно-мікробної біоелектрики

State-of-the-Art Sensors Technology in Spain 2015: Volume 1

This book provides a comprehensive overview of state-of-the-art sensors technology in specific leading areas. Industrial researchers, engineers and professionals can find information on the most advanced technologies and developments, together with data processing. Further research covers specific devices and technologies that capture and distribute data to be processed by applying dedicated techniques or procedures, which is where sensors play the most important role. The book provides insights and solutions for different problems covering a broad spectrum of possibilities, thanks to a set of applications and solutions based on sensory technologies. Topics include: • Signal analysis for spectral power • 3D precise measurements • Electromagnetic propagation • Drugs detection • e-health environments based on social sensor networks • Robots in wireless environments, navigation, teleoperation, object grasping, demining • Wireless sensor networks • Industrial IoT • Insights in smart cities • Voice recognition • FPGA interfaces • Flight mill device for measurements on insects • Optical systems: UV, LEDs, lasers, fiber optics • Machine vision • Power dissipation • Liquid level in fuel tanks • Parabolic solar tracker • Force sensors • Control for a twin roto