comentariile cititorului

Împărtășește această poveste

Tehnologia a fost întotdeauna strâns legată de corpul uman. De la silex ascuțit la smartphone-uri, purtăm invențiile noastre de milenii - dar relația este pe cale să se apropie și mai mult. Următoarea generație de dispozitive electronice ar putea să nu fie doar lângă corpurile noastre, ci ar putea fi alimentate de ele.

corpul

Rămâne în viață devorează energie. Pentru a ne ține bifați, corpul nostru trebuie să ardă între 2.000 și 2.500 de calorii pe zi, ceea ce este suficient de convenabil pentru a alimenta un telefon inteligent modest folosit. Deci, dacă doar o fracțiune din această energie ar putea fi sifonată, corpurile noastre ar putea fi folosite teoretic pentru a rula orice număr de dispozitive electronice, de la implanturi medicale la lentile de contact electronice - toate fără o baterie la vedere. Recent, cercetătorii au făcut pași importanți spre deblocarea acestui potențial electric.

Potențial neexploatat

Pentru început, energia din corpurile noastre există sub diferite forme. Cei mai mulți dintre ei au nevoie de unele manipulări înainte de a putea fi folosiți pentru a alimenta un dispozitiv electronic. Dar nu toți o fac.

De exemplu, urechile mamiferelor conțin o mică tensiune electrică numită potențial endococlear (EP). Găsit în interiorul cohleei, o cavitate în formă de spirală în urechea internă, EP ajută auzul prin transformarea undelor de presiune în impulsuri electrice. Este destul de slab - aproximativ o zecime de volt - dar încă suficient de puternic, teoretic, pentru a alimenta aparatele auditive și alte implanturi auditive.

Recoltarea EP a fost mult timp considerată de neconceput datorită sensibilității extreme a urechii interne. Dar folosind o combinație de pricepere chirurgicală și inovație tehnologică, cercetătorii din Massachusetts au reușit să facă exact asta în 2012.

Echipa a dezvoltat un „cip de recoltare a energiei”, de dimensiunea unei unghii, care a fost conceput pentru a extrage energia electrică direct din PE. Au testat cipul într-un cobai, implantându-l în urechea internă a animalului, unde a generat suficientă energie electrică pentru a alimenta un emițător radio. Puterea electrică mică produsă de cip - aproximativ un nanowatt (o miliardime de watt) - este încă de aproximativ un milion de ori prea mică pentru a alimenta un implant electronic. Dar este un nanowatt mai mult decât se generase până acum, făcând din aceasta o dovadă de concept importantă. Dacă puterea de ieșire a prototipurilor viitoare poate fi sporită, tensiunea naturală a urechii interne ar putea fi folosită într-o zi pentru alimentarea aparatelor auditive; ar putea permite chiar dezvoltarea de implanturi pentru tratarea bolilor care își au originea acolo, cum ar fi boala Ménière.

Cu toate acestea, în afara coclei, electricitatea care curge liber este (poate din fericire) rară în corpul nostru. Majoritatea energiei biologice este blocată sub alte forme. Și o modalitate de ao elibera este prin reciclare.

Picioare și căldură

Suntem construiți pentru a ne mișca. În afară de alimentarea funcțiilor de bază în celulele noastre, cea mai mare parte a cheltuielilor noastre de energie se îndreaptă spre mișcarea musculară; bătăile inimii, respirația și obținerea locurilor. (Sunt sigur că veți fi de acord, acestea sunt lucruri vitale.) Pentru oricine a folosit un generator de biciclete sau o lanternă de lichidare, ideea de a converti această energie cinetică în electricitate nu va fi nouă, dar lucrurile au devenit un pic mai complex.

În ultimii ani, cercetătorii au început să exploateze o proprietate unică a unor materiale, cunoscută sub numele de piezoelectricitate, pentru a genera electricitate din mișcarea umană. Materialele piezoelectrice generează spontan sarcină electrică atunci când sunt expuse la stres (cuvântul grecesc piezo înseamnă a stoarce sau a apăsa). Aceste materiale sunt deja utilizate în nenumărate aplicații industriale și chiar și umila brichetă (acel „clic” pe care îl auziți în tipul electronic este sunetul unui cristal piezoelectric care este lovit). Dar următoarea lor utilizare ar putea fi în țesăturile generatoare de energie.

Una dintre cele mai avansate dintre acestea a fost dezvoltată în 2013 de o echipă de cercetători chino-americani care a inventat o țesătură piezoelectrică pe bază de elastomeri capabilă să genereze electricitate folosind doar energia cinetică a locomoției umane. Când o bucată din această țesătură a fost purtată ca un branț de pantof de către un voluntar, mersul pe jos a generat suficientă energie electrică pentru a ilumina 30 de LED-uri. Mai mult, atunci când aceeași țesătură a fost aplicată pe o cămașă care a fost apoi mutată artificial, a încărcat o baterie litiu-ion în câteva ore.

Potențialul materialelor piezoelectrice merge și mai adânc. De asemenea, sunt folosite pentru a recolta energie din organele interne. Anul trecut, cercetătorii din SUA au generat cu succes electricitatea din inimile, plămânii și diafragmele bătutelor (sedate) ale vacilor și ovinelor, toate prin atașarea unui material piezoelectric ultra-subțire la organe. În mod impresionant, țesătura implantată a generat aproximativ un microwatt de putere (o milionime de watt) - aproximativ cantitatea necesară pentru a rula un stimulator cardiac cardiac.

Dacă toată această plimbare pare prea mult efort și nu îți place ideea lor de oameni care îți înfășoară țesături în jurul inimii, nu te teme niciodată - ești și plin de aer cald. Se dezvoltă țesături inteligente care încorporează materiale „termoelectrice” pentru a genera sarcină electrică dintr-o diferență de căldură. Anul acesta, cercetătorii din Australia și China au sintetizat prima țesătură capabilă să transforme energia termică în electricitate. Nu a fost încă integrat într-o haină, dar în timpul unei încercări într-o cameră încălzită, materialul a generat un curent electric atunci când a fost încălzit la temperaturi asemănătoare corpului. A produs doar aproximativ un nanowatt - o fracțiune din ceea ce sunt capabile țesăturile piezoelectrice - dar la fel ca cipul de recoltare EP, este o premieră mondială. Țesăturile termoelectrice sunt cu siguranță un spațiu de urmărit.

Reciclarea energiei din corpul nostru ar putea furniza o sursă de energie neexploatată anterior pentru dispozitivele electronice. Dar există o sursă de energie și mai abundentă sub pielea noastră, care prezintă la fel de mult, dacă nu chiar mai mult, potențial. Corpul nostru arde combustibilii chimici.

Sânge

Pentru a funcționa corect, celulele noastre necesită un aport continuu de energie chimică. În consecință, interiorul nostru este plin de el. În cazul în care cercetările recente vor avea loc, această sursă internă de combustibil ar putea alimenta în curând mai mult decât doar metabolismul.

Puterea proteinelor

La anod, o enzimă implicată în mod normal în metabolismul zahărului oxidează glucoza sau o altă moleculă, eliberând un ion hidrogen în acest proces. La catod, o enzimă numită hidrogenază combină acești ioni de hidrogen cu oxigen pentru a produce apă. Electronii sunt eliberați de reacția la anod și pot fi folosiți pentru curent înainte de a fi transferați în apă la catod.

Utilizarea enzimelor ca catalizatori oferă EFC-urilor avantaje mari față de celulele de combustie standard. Nu numai că le permite să extragă energie din surse biologice de combustibil, cum ar fi glucoza, dar le face și mai durabile. Metalele folosite în majoritatea pilelor de combustibil, cum ar fi platina, sunt resurse finite, care trebuie exploatate cu costuri mari; enzimele, pe de altă parte, pot fi ușor produse în laborator - sau chiar împrumutate gratuit din interiorul unei ființe vii.

Probabil cel mai mare pas către valorificarea puterii corpului nostru a fost dezvoltarea, în ultimele decenii, a celulelor enzimatice de biocombustibil (EFC) - dispozitive mici, de tip baterie, care pot genera electricitate prin descompunerea substanțelor chimice bogate în energie din lichide corporale (vezi bara laterală). Tehnologia de creare a EFC există de mai bine de un deceniu, dar în ultimii cinci ani, cercetătorii au fugit pentru a le testa pe creaturi vii și în ele.

Când vine vorba de fluide corporale bogate în energie, sângele este greu de bătut. Plasma, componenta lichidă a sângelui, este în permanență îmbibată cu glucoză dizolvată, sursa primară de energie a celulelor noastre. Cele mai multe EFC care au fost dezvoltate până în prezent vizează această moleculă. Primul EFC care ar putea extrage energie direct din fluxul sanguin al unui organism a fost creat în 2010. Dezvoltatorii francezi au implantat dispozitivul lung de centimetri în abdomenul unui șobolan viu, unde a funcționat cu succes timp de 11 zile - aparent fără disconfort din partea gazda. În acest timp, a generat continuu în jur de doi microviți de putere, ceea ce este mai mult decât suficient pentru a alimenta un stimulator cardiac în teorie.

Până în 2012, a fost dezvoltat un EFC de glucoză mult mai puternic. O altă echipă franceză (inclusiv cercetători din efortul din 2010) a construit un EFC îmbunătățit, bazat pe nanotuburi de carbon. Când acest lucru a fost implantat în abdomenul unui șobolan, acesta a generat în jur de 40 de microviți de putere, pe care echipa le-a folosit pentru a opera atât un LED cât și un termometru digital.

EFC-urile alimentate cu glicemie nu au fost încă testate la om. Dar pe baza succesului lor la animale (la fel ca și la șobolani, EFC-urile s-au dovedit a funcționa și la iepuri, homari și gândaci), aceste celule de combustibil autosuficiente ar putea într-o zi să înlocuiască bateriile convenționale din implanturile medicale, eliminând necesitatea înlocuirii riscante operație necesară în prezent.

Pentru toți potențialii săi profesioniști, utilizarea sângelui pentru a genera electricitate vine în continuare cu un inconvenient serios: trebuie să tăiați pe cineva. Și pentru a accesa cantitățile de sânge necesare pentru ca un EFC să funcționeze, un pinprick nu va face acest lucru. În timp ce un implant chirurgical unic ar putea fi acceptabil pentru unii pacienți, riscurile și neplăcerile asociate unor astfel de proceduri fac ca găsirea unei modalități mai puțin invazive de a ajunge la energia chimică a corpului este de dorit. Din fericire, totuși, excludem lucrurile.

Sudoare

O modalitate de a atinge combustibilul chimic al corpului fără a ajunge la bisturiu este să treci prin porii noștri. Transpirația umană este bogată într-un compus numit lactat, care poate fi, de asemenea, utilizat pentru a genera electricitate utilizând EFC, înlocuind combustibilul glucozei. Deoarece transpirația este mult mai ușor de accesat, cercetătorii au reușit deja să testeze EFC cu transpirație la oameni, cu rezultate încurajatoare.

Unul dintre primele dispozitive capabile să genereze electricitate din transpirație a fost dezvoltat în 2013 de cercetătorii de la Universitatea din California, San Diego. A luat forma unui plasture adeziv, la fel ca un tatuaj de transfer temporar, cu un EFC care elimină lactatul încorporat în structura sa. Pentru a testa patch-urile, un grup de voluntari i-au purtat pe brațe în timp ce se exersau energic timp de 20 de minute. Când subiecții au început să transpire, celulele de combustibil au început să producă un curent electric. Sucul era prea variabil pentru a alimenta dispozitivele electronice, dar a fost suficient pentru a demonstra în mod clar potențialul tehnologiei.

Dovada emfatică a venit anul următor, când un alt grup de la UC San Diego a venit cu un EFC portabil, pe bază de textile, care ar putea fi integrat în benzile sudoripare. Un voluntar a purtat una dintre acestea în timp ce mergea cu bicicleta și, la fel ca în cazul dispozitivelor bazate pe tatuaje, transpirația ciclistului a permis pilelor de combustibil să genereze electricitate. De data aceasta, însă, transpirația a produs suficientă putere pentru a rula un dispozitiv electronic - fie un LED, fie un ceas digital - timp de câteva zeci de secunde la un moment dat.

Probabil va trece ceva timp până când EFC-urile cu transpirație vor putea funcționa ca un ceas inteligent, dar au progresat rapid în ultimii ani. Există toate motivele pentru a crede că unul dintre fluidele noastre corporale mai puțin populare ar putea fi valorificat în curând.

La fel ca în cazul sângelui, utilizarea transpirației ca sursă de energie vine, de asemenea, cu o avertizare: majoritatea oamenilor nu transpiră foarte des foarte des. Bandele inteligente ar putea deveni o modalitate excelentă de a vă încărca ceasul în timpul unui antrenament, dar pentru o sursă continuă de energie chimică în afara pielii noastre, oamenii de știință trebuie să caute în altă parte. Din fericire, există încă un alt fluid corporal bogat în energie, unul care este disponibil non-stop. Tot ce trebuie să faceți este să clipiți.

Și lacrimi

La prima vedere, lacrimile ar putea părea o sursă de combustibil și mai nesigură decât transpirația. Dar, indiferent de starea noastră emoțională, suntem întotdeauna puțin ochi de rouă. Corneea este menținută în permanență umedă de un film cu ceea ce se numește lacrimi „bazale” (spre deosebire de lacrimile „psihice” care apar atunci când plângem). Acestea servesc mai ales pentru a lubrifia și hrăni ochiul, dar sunt, de asemenea, pline de energie. Printre alte substanțe chimice, lacrimile bazale conțin glucoză, lactat și ascorbat (un compus similar cu vitamina C), oricare dintre acestea fiind o sursă excelentă de combustibil pentru EFC.

Un avantaj al folosirii lacrimilor la electronica de putere este că există deja o platformă perfectă pe care să montați hardware-ul: lentilele de contact. Dacă o celulă de combustibil auto-susținută ar putea fi integrată într-o lentilă de contact, potențialele aplicații tehnologice nu ar putea fi decât revoluționare. Astfel de dispozitive ar putea monitoriza semnele vitale ale oamenilor prin analiza chimiei lacrimale, permit corectarea dinamică a vederii prin schimbarea distanței focale a lentilelor de contact în funcție de locul în care privește ochiul sau chiar afișarea informațiilor dinamice.

Lecturi suplimentare

Astfel de scenarii sunt încă science fiction, dar Reid și colegii săi i-au adus cu un pas mai aproape de realitate. Cercetătorii din Utah tocmai au dezvoltat prima lentilă de contact cu un EFC integrat, permițându-i să genereze electricitate numai din lacrimile umane.

Prototipul lor, raportat pentru prima dată anul trecut, constă dintr-o lentilă din elastomer cu doi electrozi subțiri din fibră de carbon înfășurați în jurul perimetrului său, lăsând centrul lentilei neobscurat. Nu a fost încă testat la oameni, dar când Reid și colegii au scăldat lentila într-o soluție lacrimală sintetică, a menținut o putere de peste un microwatt timp de trei ore.

Acest dispozitiv este mult mai de bază decât sângele curent sau EFC-urile alimentate de transpirație. Ieșirea sa electrică actuală este suficientă doar pentru a face un LED să clipească intermitent, iar performanțele sale ar trebui îmbunătățite semnificativ pentru a alimenta chiar și dispozitive electronice cu cerere redusă, cum ar fi senzorii de glucoză. În ciuda acestor probleme, totuși, echipa din Utah a demonstrat că lentilele contractuale cu lacrimă sunt fezabile în practică. Ei intenționează să testeze obiectivul la iepuri mai târziu în acest an.

În ciuda promisiunilor lor, pilele de combustibil alimentate biologic sunt încă o tehnologie naștentă. Chiar și cele mai sofisticate au o durată de viață operațională de câteva luni. Pentru a face EFC-urile o alternativă fezabilă la baterii, cercetătorii vor trebui să depășească o serie de obstacole - de exemplu, cum să prevină degradarea naturală a enzimelor dispozitivului (o problemă serioasă pentru EFC-uri) și să ajute electrozii să reziste la coroziune.

Așadar, poate trece ceva timp până când corpurile noastre sunt capabile să alimenteze dispozitivele, să regleze inimile sau să ne ajute să auzim. Dar există șanse mari să fiți în jur când vor putea face acele lucruri - și poate chiar mai multe lucruri. Evgeny Katz, profesor de biotehnologie la Universitatea Clarkson, New York, a declarat pentru Ars că intenționează ca EFC să alimenteze în cele din urmă membrele protetice și alte „sisteme de biomasă”. Așa că, deși au fost deja folosiți pentru a crea un cyborg onest cu Dumnezeu, ignorați filmele - un viitor auto-alimentat va fi probabil o veste bună.