Jauns akumulators, kas implantējams cilvēka darbinātām ierīcēm?
Saskaņā ar ārvalstu plašsaziņas līdzekļu ziņām zinātnieki pašlaik pēta mehāniskās, termiskās un ķīmiskās enerģijas pārveidošanu cilvēka organismā elektroenerģijā, izmantojot pjezoelektrisku iedarbību, siltumenerģijas pārveidošanu, elektrostatisko iedarbību un ķīmiskās reakcijas, lai nodrošinātu valkājamas vai implantējamas ierīces. iedarbina.
ISing the Body Electric dzejnieks Walt Whitman mīļi runā par "skaistu, dīvainu, elpojošu, smejošu muskuļu" "darbību un spēku". Vairāk nekā 150 gadus vēlāk MIT materiālu zinātnieks un inženieris Canan Dagdeviren un viņas kolēģi izmanto pētījumus, lai piešķirtu jaunu nozīmi Vitmena dzejai. Viņi strādā pie ierīces, kas var ražot elektrību no cilvēku sirds sišanas.
Mūsdienu elektronika ir tik jaudīga, ka viedtālruņu skaitļošanas jauda ievērojami pārsniedz NASA saistītā apkalpes aprīkojuma apstrādes jaudu, kad 1969. gadā uz Mēnesi tika nosūtīti pirmie astronauti. Laika gaitā tehnoloģiju straujā attīstība ir radījusi arvien lielākas un lielākas cerības attiecībā uz valkājamām vai implantējamām ierīcēm.
Lielākās daļas valkājamo un implantējamo ierīču galvenais trūkums joprojām ir akumulatora darbības laiks, kura ierobežotā akumulatora ietilpība var ierobežot ierīces ilgtermiņa lietošanu. Kad elektrokardiostimulatora jauda beidzas, viss, kas jums jādara, ir jānomaina akumulators pacienta operācijai. Šīs problēmas pamatrisinājums var atrasties cilvēka ķermenī, kas ir bagāts ar ķīmisko, termisko un mehānisko enerģiju. Tas ir licis zinātniekiem atkārtoti izpētīt, kā ierīce iegūst enerģiju no cilvēka ķermeņa.
Piemēram, kustība, ko cilvēks veic elpošanas laikā, var radīt 0,83 vatus enerģijas; cilvēka ķermenim mierīgā stāvoklī ir aptuveni 4,8 vati siltuma; un cilvēka rokas var radīt līdz pat 60 vatiem enerģijas, īstenojot. Elektrokardiostimulatoram ir nepieciešamas tikai piecas miljonās daļas vata, lai darbotos septiņus gadus, dzirdes aparātam ir nepieciešama tikai viena tūkstošdaļa vata, lai darbotos piecas dienas, un jaudas vats var darbināt viedtālruni piecas stundas.
Tagad Dagviren un kolēģi pēta, kā izmantot pašu cilvēka ķermeni kā ierīces enerģijas avotu. Pētnieki jau ir sākuši testēt valkājamo vai implantējamo ierīci dzīvniekiem un cilvēkiem.
Viena no šīm enerģijas ieguves stratēģijām ietver vibrācijas, spiediena un citu mehānisko spriegumu enerģijas pārvēršanu elektroenerģijā. Šī metode rada tā saukto pjezoelektrisko enerģiju, ko parasti izmanto skaļruņos un mikrofonos.
Plaši izmantots pjezoelektrisks materiāls ir svina titanāta cirkonāts, bet tā augstais svina saturs ir radījis bažas, jo svins ir pārāk toksisks cilvēkiem. "Bet, lai strukturāli nojauktu svinu, tas ir jāuzsilda līdz vairāk nekā 700 grādiem pēc Celsija," sacīja Dagvilens. "Tu nekad nenokļūsi līdz tādai temperatūrai cilvēka ķermenī."
Lai izmantotu pjezoelektrisko efektu, Dagvirena un viņas kolēģi izstrādāja plakanas ierīces, kuras var piestiprināt pie orgāniem un muskuļiem, piemēram, sirds, plaušām un diafragmas. Šīs ierīces ir "mehāniski neredzamas", jo to mehāniskās īpašības ir vairāk līdzīgas to videi, tāpēc tās pārvietojas, netraucējot šo audu normālu darbību.
Līdz šim ierīces ir pārbaudītas govīm, aitām un cūkām, jo šiem dzīvniekiem ir aptuveni tāda paša izmēra sirdis kā cilvēka sirdij. "Kad šīs ierīces ir mehāniski izkropļotas, tās rada pozitīvus un negatīvus lādiņus, spriegumus un strāvas, lai varētu iegūt enerģiju akumulatora uzlādei," skaidroja Dagvīrena. "Jūs varat tos izmantot, lai darbinātu sirds biomedicīnas ierīces, piemēram, elektrokardiostimulatorus, nevis ķirurģiski nomainītu ik pēc sešiem vai septiņiem gadiem pēc akumulatora izsīkšanas."
Zinātnieki izstrādā arī valkājamus pjezoelektriskās enerģijas kombainus, kurus var valkāt uz ceļa vai elkoņa vai ievietot apavos, biksēs vai apakšveļā. Tādā veidā cilvēks var ražot elektrību elektronikai, kad viņi staigā vai saliek.
Projektējot pjezoelektriskos komponentus, var šķist pretintuitīvs, ka jums nav nepieciešami labākie materiāli elektroenerģijas ražošanai. Piemēram, tā vietā, lai izvēlētos materiālu, kas var pārvērst 5% mehāniskās enerģijas elektroenerģijā, zinātnieki var izmantot materiālus, kuru pārveidošanas efektivitāte ir 2 procenti vai mazāk. Ja tas nozīmē vairāk, "tas var to izdarīt, uzliekot lielāku slodzi uz ķermeni, bet lietotājs noteikti nevēlas no tā nogurt," teica Dagvilens.
Vēl viena enerģijas novākšanas metode ir termoelektriskās pārveidošanas materiālu izmantošana, lai pārvērstu beztaras siltumu elektroenerģijā. "Jūsu sirds pukst vairāk nekā 40 miljonus reižu gadā," norāda Dagvīrena. Visa šī enerģija tiek izkliedēta kā ķermeņa siltums — potenciāls resurss, ko var uztvert.
Cilvēka termoenerģijas ražošana saskaras ar dažām lielām problēmām. Šāda veida enerģijas pārveidošana bieži ir atkarīga no temperatūras atšķirībām, bet ķermeņa ķermeņa temperatūra bieži paliek diezgan nemainīga, tāpēc temperatūras atšķirības organismā nav pietiekami augstas, lai ražotu daudz elektroenerģijas. Tomēr, ja šīs ierīces var tikt pakļautas relatīvi vēsai ārējai videi, vienlaikus savācot ķermeņa temperatūru, problēmu varētu atrisināt.
Zinātnieki pēta siltumu radošas ierīces valkājamām ierīcēm, piemēram, pulksteņu darbināšanai. Cilvēka ķermeņa radītais siltums principā varētu radīt pietiekami daudz elektrības, lai darbinātu bezvadu veselības monitorus, mākslīgos dzirdes aparātus un smadzeņu kortikālos stimulatorus Parkinsona slimībai.
Turklāt zinātnieki arī cenšas darbināt ierīces, izmantojot kopējo elektrostatisko efektu. Kad divi dažādi materiāli atkārtoti saduras vai berzē viens pret otru, viena virsma var satvert elektronus no otras virsmas, uzkrājot elektrisko lādiņu, parādību, kas pazīstama kā triboelektriska elektrifikācija. Triboelektriskās elektrifikācijas galvenā priekšrocība ir gandrīz visu dabisko un sintētisko materiālu spēja ražot statisko elektrību, kas pētniekiem paver daudzas iespējas izstrādāt visdažādākos sīkrīkus.
"Jo vairāk es pētu triboelektriskumu, jo aizraujošāka tā ir, un jo vairāk lietojumprogrammu tai var būt," sacīja Georgia Tech nanotehnoloģiju eksperts ZhongLin Wang, darba līdzautors. "Es redzu sevi apņemamies veikt šo pētījumu nākamos 20 gadus."
Elektroenerģijas daudzums, ko ražo dažādi materiāli, izmantojot triboelektriskumu, ir ļoti atšķirīgs, tāpēc zinātnieki eksperimentē ar dažādiem materiāliem. Pētnieki izveidoja kubu režģus, kas atgādina mikroskopiskus pilsētas blokus, nanovadus, kas atgādina bambusa mežus, un piramīdu masīvus, kas atgādina Lielo Gīzas piramīdu. Šie materiāli ne tikai "izskatās skaisti", teica Vanga, bet virsmas pārklāšana ar piramīdu masīvu var palielināt enerģijas ražošanu par koeficientu pieci, salīdzinot ar plakaniem paneļiem.
Pētnieki ir veikuši eksperimentus ar pelēm, trušiem un cūkām, kur viņi ir pārbaudījuši elektrokardiostimulatorus, sirds monitorus un citas implantējamas ierīces, ko darbina elpošana un ātra sirdsdarbība. "Mēs arī pētām, vai mēs varam izmantot triboelektriskumu, lai stimulētu šūnu augšanu un paātrinātu brūču dzīšanu," teica Vanga. "Arī mēs esam sākuši triboelektriskus eksperimentus ar neironu stimulāciju, lai redzētu, vai mēs to varam izdarīt neirozinātnes labā. jebkāds ieguldījums."
Vangs un viņa kolēģi arī izstrādāja valkājamas ierīces, kas ir triboelektriski uzlādētas. Piemēram, viņi izgatavoja triboelektriskas drānas, kas var uzlādēt elastīgas aproces ar litija jonu baterijām. Sīkrīks darbina Bluetooth iespējotu valkājamu sirdsdarbības ritma monitoru, kas pārraida savus datus bezvadu režīmā uz viedtālruni. "Mehānisko enerģiju, ko rada cilvēku kustības katru dienu, var pārvērst elektrībā caur mūsu audumu," sacīja Vanga.
Vēl viena stratēģija balstās uz ierīcēm, ko sauc par biodegvielas šūnām, kas ražo elektrību ķīmiskās reakcijās starp fermentiem un enerģijas uzglabāšanas molekulām organismā, piemēram, glikozi asinīs vai laktātu, kas izdalās sviedri. Piemēram, celobioze dehidrogenāze, kas iegūta no sēnēm, var noārdīt glikozi un radīt elektrisko strāvu nanometru (miljardā daļa no metra) oglekļa caurulēs.
Fermentu izvēle var būt sarežģīta. Piemēram, lai gan vairāki zinātnieki ir atklājuši, ka glikozes oksidāze var ražot elektrību biodegvielas šūnās, kas implantētas laboratorijas pelēm, ferments ražo arī ūdeņraža peroksīdu (parasto balinātāja komponentu), kas var pasliktināt ierīces veiktspēju un radīt miesas bojājumus.
Citā pētījumā, skenējot elektronu mikrogrāfus, tika konstatēts, ka eksperimentālā biodegvielas šūnā izmantotās oglekļa nanocaurules spēj ražot elektrību no organisma. Caurules ir pārklātas ar fermentiem, kas apstrādā dabiskās enerģijas molekulas, piemēram, laktātu sviedri vai glikoze asinīs. Instruments ir elektroaktīvs, vienlaikus nodrošinot milzīgu virsmas laukumu fermentiem reaģēt ar enerģiju, ļaujot saražot vairāk elektroenerģijas konkrētam tilpumam.
Franču zinātnieki ir izveidojuši arī biodegvielas šūnu, kuras pamatā ir fermentu pārklātas oglekļa nanocaurules, kas ir aptuveni puse tējkarotes izmēra un, implantējot pelēm, var ražot pietiekami daudz elektroenerģijas, lai darbinātu LED vai digitālo termometru, reaģējot ar cukura līmeni asinīs . Eksperimenti ir arī parādījuši, ka auduma biodegvielas šūnas, kas austas galvas lentās un aprocēs, var saražot pietiekami daudz elektrības, lai darbinātu pulksteņus, ķīmiski reaģējot uz pienskābi pienā un sviedri ar fermentiem.
Cik zināms, Dagvilen, neviena no šīm ierīcēm pašlaik nav tirgū. Taču viņa prognozē, ka tehnoloģija būs tirgū pēc nepilniem desmit gadiem. Nākotnē enerģijas novākšanas ierīces var kļūt piemērotākas cilvēka ķermenim. Dagvilena un viņas kolēģi pat strādā pie degradējamiem elektroenerģijas ražošanas sīkrīkiem.
"Iedomājieties," viņa teica, "ievietojot ierīci savā ķermenī, un pēc kāda laika tā sadalās molekulās, kas izšķīst ķermeņa šķidrumos, un jūs varat to izņemt, neatverot krūtis: mēs varam izmantot bioloģiski noārdāmus materiālus, piemēram, zīdu un cinka oksīdu, kas laika gaitā sadalās."
