Согласно новому исследованию группы биофизики Института Адольфа Меркля в Университете Фрибурга, источники электроэнергии на основе биологических источников могут питать носимую или имплантируемую электронику в будущем, даже работая на метаболических отходах.
Источник: Фрибургский университет
Группа под руководством профессора Майкла Майера сосредоточилась на батареях, в которых для выработки электрического тока используются различия в концентрациях солей, известные как ионный градиент, а также поиск устойчивых методов для создания таких различий.
Одним из источников вдохновения были электрические рыбы , которые используют градиенты ионов внутри своего тела для генерации потрясающих внешних электрических разрядов.
Команда Майера ранее разработала искусственный электрический орган, вдохновленный электрическим угрем, который генерировал электричество из ионных градиентов внутри сложенных гидрогелей, превышающих 100 вольт. Однако ток этого источника питания был слишком низким для питания.стандартной электроника. Для своих следующих шагов исследователи взяли за основу уникальную морфологию атлантического торпедного луча. Этот скат является самой мощной из известных электрических рыбок и может производить импульсы мощностью более 1 кВт.
Они разработали гибридный материал из бумаги, пропитанной гидрогелем, для создания, организации и изменения конфигурации стопок тонких, больших гелевых пленок с разницей в концентрации соли последовательно и параллельно. Их результаты, опубликованные в журнале Advanced Materials , показали, что собранная электрическая мощность была более чем в 60 раз выше по сравнению с оригинальным дизайном, вдохновленным угрем, что позволяло запускать электронные устройства.
Двуокись углерода из дыхания реагирует с раствором амина с образованием катионов и анионов. Мембраны с селективным зарядом позволяют только положительным зарядам диффундировать в одном направлении, а отрицательным — в противоположном, создавая электрический потенциал, который можно использовать для питания электронных устройств. Предоставлено: Фрибургский университет.
В другом исследовании группа AMI BioPhysics изучала разработку устойчивого процесса, который можно было бы использовать для перезарядки био-батареи, используя в качестве примера углекислый газ, выдыхаемый человеком. Как показано в журнале Advanced Science, способность генерировать ионный градиент из дыхания показывает, что для пользователя есть достижимые способы пассивной подачи топлива для источника энергии. В качестве доказательства концепции исследователи разработали прототип устройства, которое собирает достаточно энергии из генерируемого дыханием ионного градиента для питания небольших электронных устройств , таких как светоизлучающий диод.
«Эта работа посвящена использованию продуктов метаболизма в сочетании с генерацией энергии на основе ионного градиента для разработки носимого или имплантируемого источника энергии, который потенциально может заряжаться бесконечно», — объясняет Майер. «Это еще один шаг к тому, чтобы иметь аккумулятор, который никогда не нужно вставлять в розетку, пассивно заряжаемый, полагаясь на перенос ионов, а не на химические реакции».
Продолжающаяся интеграция технологий в живые организмы требует определенного источника энергии, который является биосовместимым, гибким и способным извлекать энергию изнутри биологической системы. Самозарядный источник питания для имплантируемых устройств, таких как кардиостимуляторы, датчики, насосы для доставки лекарств или протезы, является очевидным применением. Выработка электричества внутри тела также устранит необходимость в операции по замене, а также может обеспечить постоянное питание носимых устройств, таких как электрически активные контактные линзы со встроенным дисплеем.
Дополнительная информация: Анирван Гуха и др., Питание электронных устройств от солевых градиентов в стопках бумаги, наполненной гидрогелем, размером с батарейки AA, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002 / adma.202101757
Тревор Дж. Калкус и др., Машина для получения зеленого обедненного амина: сбор электроэнергии при улавливании двуокиси углерода из дыхания, Advanced Science (2021). DOI: 10.1002 / advs.202100995
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК