Nieuwe batterij implanteerbaar voor apparaten op mensen?
Volgens buitenlandse mediaberichten bestuderen wetenschappers momenteel de omzetting van mechanische, thermische en chemische energie in het menselijk lichaam in elektrische energie door piëzo-elektrische effecten, thermische energieconversie, elektrostatische effecten en chemische reacties, om draagbare of implanteerbare apparaten te bieden. aangedreven door.
In ISing the Body Electric spreekt dichter Walt Whitman liefdevol over de 'actie en kracht' van 'mooie, vreemde, ademende, lachende spieren'. Meer dan 150 jaar later gebruiken MIT-materiaalwetenschapper en ingenieur Canan Dagdeviren en haar collega's onderzoek om een nieuwe betekenis te geven aan Whitmans poëzie. Ze werken aan een apparaat dat elektriciteit kan opwekken uit het kloppen van de harten van mensen.
De elektronica van vandaag is zo krachtig dat de rekenkracht van smartphones de verwerkingskracht van NASA's bijbehorende bemanningsapparatuur ver overtreft toen de eerste astronauten in 1969 naar de maan werden gestuurd. In de loop van de tijd heeft de snelle ontwikkeling van technologie geleid tot steeds hogere verwachtingen voor draagbare of implanteerbare apparaten.
Het belangrijkste nadeel van de meeste draagbare en implanteerbare apparaten is nog steeds de levensduur van de batterij, waarvan de beperkte batterijcapaciteit het gebruik van het apparaat op lange termijn kan beperken. Wanneer de stroom van de pacemaker opraakt, hoeft u alleen maar de batterij te vervangen voor de operatie van de patiënt. De fundamentele oplossing voor dit probleem kan liggen in het menselijk lichaam, dat rijk is aan chemische, thermische en mechanische energie. Dit heeft ertoe geleid dat wetenschappers herhaaldelijk hebben bestudeerd hoe het apparaat energie uit het menselijk lichaam oogst.
De beweging die een persoon maakt tijdens het ademen kan bijvoorbeeld 0,83 watt aan energie genereren; het menselijk lichaam heeft ongeveer 4,8 watt warmte in een kalme toestand; en de armen van een persoon kunnen tot 60 watt energie genereren tijdens het sporten. Een pacemaker heeft slechts vijf miljoenste van een watt nodig om zeven jaar te draaien, een hoortoestel heeft slechts een duizendste van een watt nodig om vijf dagen te draaien en een watt vermogen kan een smartphone vijf uur van stroom voorzien.
Nu onderzoeken Dagviren en collega's hoe ze het menselijk lichaam zelf kunnen gebruiken als energiebron voor het apparaat. Onderzoekers zijn al begonnen met het testen van het draagbare of implanteerbare apparaat bij dieren en mensen.
Een van deze strategieën voor het oogsten van energie omvat het omzetten van energie uit trillingen, druk en andere mechanische spanningen in elektrische energie. Deze methode produceert zogenaamde piëzo-elektriciteit, die vaak wordt gebruikt in luidsprekers en microfoons.
Een veelgebruikt piëzo-elektrisch materiaal is loodtitanaat zirkonaat, maar het hoge loodgehalte heeft tot bezorgdheid geleid omdat lood te giftig is voor de mens. "Maar om het lood structureel af te breken, moet je het verwarmen tot meer dan 700 graden Celsius," zei Dagvilen. "Die temperatuur in het menselijk lichaam kom je nooit."
Om te profiteren van het piëzo-elektrisch effect ontwikkelden Dagviren en haar collega's platte apparaten die kunnen worden bevestigd aan organen en spieren zoals het hart, de longen en het middenrif. Deze apparaten zijn "mechanisch onzichtbaar" omdat hun mechanische eigenschappen meer lijken op hun omgeving, dus ze bewegen zonder de normale werking van deze weefsels te verstoren.
Tot nu toe zijn de apparaten getest op koeien, schapen en varkens, omdat deze dieren harten hebben die ongeveer even groot zijn als een menselijk hart. "Wanneer deze apparaten mechanisch worden vervormd, genereren ze positieve en negatieve ladingen, spanningen en stromen, zodat energie kan worden geoogst om de batterij op te laden," legde Dagviren uit. "Je kunt ze gebruiken om de hartbiotische apparaten zoals pacemakers te laten werken, in plaats van elke zes of zeven jaar chirurgisch te moeten worden vervangen nadat de batterij leeg is."
Wetenschappers ontwikkelen ook draagbare piëzo-elektrische energierooiers die op de knie of elleboog kunnen worden gedragen of in schoenen, broeken of ondergoed kunnen worden geplaatst. Op die manier kan een persoon elektriciteit opwekken voor elektronica wanneer ze lopen of bukken.
Het lijkt misschien contra-intuïtief bij het ontwerpen van piëzo-elektrische componenten dat je niet de beste materialen nodig hebt voor het opwekken van elektriciteit. In plaats van bijvoorbeeld een materiaal te kiezen dat 5% van de mechanische energie kan omzetten in elektrische energie, kunnen wetenschappers materialen gebruiken met een conversie-efficiëntie van 2 procent of minder. Als het meer vertaalt, "kan het dit doen door het lichaam meer te belasten, maar de gebruiker wil daar zeker niet moe van worden," zei Dagvilen.
Een andere methode voor het oogsten van energie is het gebruik van thermo-elektrische conversiematerialen om bulkwarmte om te zetten in elektrische energie. "Je hart klopt meer dan 40 miljoen keer per jaar", benadrukt Dagviren. Al deze energie wordt afgevoerd als lichaamswarmte – een potentiële hulpbron die kan worden opgevangen.
Menselijke thermische energieopwekking wordt geconfronteerd met een aantal grote problemen. Dit type energieconversie is vaak afhankelijk van temperatuurverschillen, maar de lichaamstemperatuur van het lichaam blijft vaak vrij constant, dus de temperatuurverschillen in het lichaam zijn niet hoog genoeg om veel elektriciteit te genereren. Als deze apparaten echter kunnen worden blootgesteld aan een relatief koele externe omgeving tijdens het verzamelen van de lichaamstemperatuur, kan het probleem worden opgelost.
Wetenschappers onderzoeken warmtegenererende apparaten voor draagbare apparaten, zoals het aandrijven van horloges. De warmte die door het menselijk lichaam wordt geproduceerd, zou in principe voldoende elektriciteit kunnen genereren om draadloze gezondheidsmonitoren, kunstmatige hoortoestellen en cerebrale corticale stimulatoren voor de ziekte van Parkinson van stroom te voorzien.
Bovendien proberen wetenschappers ook apparaten van stroom te voorzien door het gemeenschappelijke elektrostatische effect. Wanneer twee verschillende materialen herhaaldelijk tegen elkaar botsen of wrijven, kan het oppervlak van de ene elektronen van het oppervlak van de andere grijpen en een elektrische lading accumuleren, een fenomeen dat bekend staat als tribo-elektrische elektrificatie. Een belangrijk voordeel van tribo-elektrische elektrificatie is het vermogen van bijna alle materialen, zowel natuurlijke als synthetische, om statische elektriciteit te genereren, wat veel mogelijkheden biedt voor onderzoekers om een breed scala aan gadgets te ontwerpen.
"Hoe meer ik tribo-elektriciteit bestudeer, hoe spannender het is en hoe meer toepassingen het kan hebben," zei Georgia Tech nanotechnologie-expert ZhongLin Wang, co-auteur van het artikel. "Ik zie mezelf de komende 20 jaar inzetten voor dit onderzoek."
De hoeveelheid elektriciteit geproduceerd door verschillende materialen door tribo-elektriciteit varieert sterk, dus wetenschappers experimenteren met een verscheidenheid aan materialen. De onderzoekers maakten rasters van kubussen die lijken op microscopische stadsblokken, nanodraden die lijken op bamboebossen en piramide-arrays van het soort dat lijkt op de Grote Piramide van Gizeh. Niet alleen zien deze materialen er "mooi uit", zei Wang, maar het bedekken van het oppervlak met een reeks piramides kan de energieopwekking met een factor vijf verhogen in vergelijking met platte panelen.
Onderzoekers hebben experimenten uitgevoerd bij muizen, konijnen en varkens, waar ze pacemakers, hartmonitoren en andere implanteerbare apparaten hebben getest die worden aangedreven door ademhaling en de snelle hartslag. "We onderzoeken ook of we tribo-elektriciteit kunnen gebruiken om celgroei te stimuleren en wondgenezing te versnellen," zei Wang. "We zijn ook begonnen met tribo-elektrische experimenten met neurale stimulatie om te zien of we het voor de neurowetenschappen kunnen doen. elke bijdrage."
Wang en zijn collega's ontwierpen ook draagbare apparaten die tribo-elektrisch geladen zijn. Zo maakten ze tribo-elektrische doeken die flexibele polsbandjes kunnen opladen met lithium-ionbatterijen. De gadget drijft een draagbare hartslagmeter met Bluetooth aan, die zijn gegevens draadloos naar een smartphone verzendt. "De mechanische energie die elke dag door menselijke beweging wordt gegenereerd, kan door ons doek worden omgezet in elektriciteit," zei Wang.
Een andere strategie is gebaseerd op apparaten die biobrandstofcellen worden genoemd en die elektriciteit genereren door chemische reacties tussen enzymen en energieopslagmoleculen in het lichaam, zoals glucose in het bloed of lactaat dat in zweet wordt uitgescheiden. Cellobiosedehydrogenase geëxtraheerd uit schimmels kan bijvoorbeeld glucose afbreken en elektrische stromen genereren in nanometer (miljardste van een meter) koolstofbuizen.
Enzymselectie kan lastig zijn. Terwijl verschillende wetenschappers bijvoorbeeld hebben ontdekt dat glucoseoxidase elektriciteit kan genereren in biobrandstofcellen die in laboratoriummuizen zijn geïmplanteerd, produceert het enzym ook waterstofperoxide (een veel voorkomende bleekcomponent), wat de prestaties van het apparaat kan verslechteren en lichamelijke schade zal veroorzaken.
In een andere studie toonden scanning elektronenmicrofoto's aan dat koolstofnanobuisjes die in een experimentele biobrandstofcel werden gebruikt, in staat waren om elektriciteit uit het lichaam te genereren. De buisjes zijn bedekt met enzymen die natuurlijke energiemoleculen verwerken, zoals lactaat in zweet of glucose in het bloed. De tool is elektroactief en biedt een enorm oppervlak voor enzymen om te reageren met energie, waardoor meer elektriciteit kan worden gegenereerd voor een bepaald volume.
Franse wetenschappers hebben ook een biobrandstofcel gemaakt op basis van met enzymen gecoate koolstofnanobuisjes die ongeveer een halve theelepel groot is en, wanneer geïmplanteerd in muizen, voldoende elektriciteit kan genereren om een LED of digitale thermometer van stroom te voorzien door te reageren met bloedsuikerspiegel . Experimenten hebben ook aangetoond dat organische biobrandstofcellen geweven in hoofdbanden en polsbandjes voldoende elektriciteit kunnen genereren om horloges aan te drijven door de chemische reactie van melkzuur in melk en zweet met enzymen.
Voor zover Dagvilen weet, is geen van deze apparaten momenteel op de markt. Maar ze voorspelt dat de technologie over minder dan tien jaar op de markt zal zijn. In de toekomst kunnen apparaten voor het oogsten van energie geschikter worden voor het menselijk lichaam. Dagvilen en haar collega's werken zelfs aan afbreekbare stroomopwekkende gadgets.
"Stel je voor," zei ze, "zet een apparaat in je lichaam, en na een tijdje degradeert het in moleculen die oplossen in lichaamsvloeistoffen, en je kunt het eruit halen zonder je borstkas te openen: we kunnen biologisch afbreekbare materialen zoals zijde en zinkoxide gebruiken die na verloop van tijd ontbinden."
