Plasa flexibilă ar putea alimenta electronicele implantabile fără baterii
O echipă de ingineri de la Universitatea din Massachusetts Amherst a creat o plasă ultratină și flexibilă care integrează fără probleme electronica cu celulele umane, oferind o sursă electrică continuă, fiabilă și puternică.
Studiul, publicat în Science Advances, propune o soluție potențială pentru una dintre cele mai dificile probleme în domeniul electronicelor purtabile și implantabile: eliminarea bateriilor.
„Oamenii au visat de mult la un viitor în care anumite electronice pot să ne îmbunătățească abilitățile”, afirmă Jun Yao, profesor asociat în cadrul Colegiului de Inginerie Riccio de la UMass Amherst și autorul principal al lucrării. Acesta menționează exemple celebre din science fiction, dar și exemple cotidiene, cum ar fi stimulatoarele cardiace și defibrilatoarele implantabile, stimulatoarele cerebrale profunde, implanturile cohleare și diverse monitoare de sănătate. Fiecare dintre acestea necesită o sursă de energie.
Din păcate, sursa de energie dominantă, bateriile, este voluminoasă și se epuizează în timp, iar micșorarea și flexibilizarea lor reduc capacitatea de stocare a energiei.
„Dar”, spune Siqi Wang, un student la doctorat în cadrul Colegiului de Inginerie Riccio de la UMass Amherst, „corpurile noastre sunt centrale electrice 24/7. Fiecare celulă produce propria energie.” O parte din această energie este electrică, cum ar fi impulsurile nervoase, iar o altă parte este mecanică, precum contracția țesutului muscular.
Colectarea acestei energii celulare necesită o schimbare de paradigmă în ingineria electrică, o schimbare pe care Yao o conduce, având în vedere că a demonstrat anterior o plasă care poate crește și monitoriza țesutul cardiac, a construit un neuron artificial care poate comunica direct cu celulele umane și a descoperit cum să producă energie curată din aer.
Schimbarea de paradigmă a început prin gândirea la modul în care este alimentat corpul. Tot ce este alimentat de baterii se bazează pe o sursă centralizată de energie, dar corpul nu funcționează astfel.
Fiecare celulă din corpul uman este o mică centrală electrică, iar energia este distribuită în întregul sistem. „Am dorit să schimbăm acest model tradițional, centralizat, cu unul mai distribuit, modelat după biologie”, afirmă Yao.
Echipa a început cu o serie de panglici subțiri din zirconat de plumb titanat (PZT), care transformă energia mecanică în energie electrică. Apoi, au dezvoltat o tehnică pentru a le integra pe o platformă polimerică ultratină și ultraflexibilă. Ulterior, au semănat această platformă cu celule cardiace umane, care, pe măsură ce au crescut, s-au integrat perfect în jurul platformei încărcate cu PZT. Rezultatul este un dispozitiv care se mișcă și arată ca un țesut uman, dar funcționează ca o baterie care nu trebuie înlocuită niciodată.
Yao subliniază că, deocamdată, cercetarea lor există doar în laborator și menționează că dispozitivul a generat de 10 ori mai multă densitate de putere decât sistemele care depind de o sursă centralizată de energie. Iar aceasta este doar începutul. Datorită faptului că aceste filme sunt ultratine, ele pot fi suprapuse în straturi, crescând drastic cantitatea de energie disponibilă, rămânând în același timp neinvazive.
„Frumusețea acestui sistem este cât de neinvaziv și puternic este”, spune Yao. „Corpurile noastre tind să respingă sistemele care vin cu baterii voluminoase, dar când dispozitivul există la nivel celular, obținem o biocompatibilitate considerabil îmbunătățită.”
