Βασικά Takeaways
- Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν ένα νέο στοιχείο ισχύος που λειτουργεί χρησιμοποιώντας τη γλυκόζη του σώματός σας.
- Τα κύτταρα θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν ιατρικές συσκευές και να βοηθήσουν τους ανθρώπους που εμφυτεύουν ηλεκτρονικά gadget στο σώμα τους για ευκολία.
- Οι εμφυτεύσιμες συσκευές πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες για να ελαχιστοποιηθεί ο αντίκτυπός τους στους ασθενείς.
Το σώμα σας θα μπορούσε να είναι πηγή ενέργειας για μελλοντικά gadget.
Επιστήμονες του MIT ανέπτυξαν μια κυψέλη καυσίμου που λειτουργεί με γλυκόζη που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει μικροσκοπικά εμφυτεύματα και αισθητήρες. Η συσκευή μετρά περίπου το 1/100 της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας και παράγει περίπου 43 μικροβάτ ανά τετραγωνικό εκατοστό ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες στην ιατρική και στον μικρό αλλά αυξανόμενο αριθμό ανθρώπων που εμφυτεύουν ηλεκτρονικά gadget στο σώμα τους για ευκολία.
"Οι κυψέλες καυσίμου γλυκόζης μπορούν να γίνουν χρήσιμες για την τροφοδοσία εμφυτεύσιμων συσκευών χρησιμοποιώντας ένα καύσιμο που είναι άμεσα διαθέσιμο στο σώμα", ο Philipp Simons, ο οποίος ανέπτυξε το σχέδιο ως μέρος του διδακτορικού του. διατριβή, είπε στο Lifewire σε μια συνέντευξη μέσω email. "Για παράδειγμα, οραματιζόμαστε τη χρήση της κυψέλης καυσίμου γλυκόζης για την τροφοδοσία αισθητήρων υψηλής μικρογραφίας που μετρούν τις λειτουργίες του σώματος. Σκεφτείτε την παρακολούθηση της γλυκόζης για ασθενείς με διαβήτη, την παρακολούθηση καρδιακών παθήσεων ή την παρακολούθηση βιοδεικτών που προσδιορίζουν την εξέλιξη ενός όγκου."
Μικροσκοπικό αλλά Πανίσχυρο
Η μεγαλύτερη πρόκληση για το σχεδιασμό της νέας κυψέλης καυσίμου ήταν η δημιουργία ενός σχεδίου που ήταν αρκετά μικρό, είπε ο Simons. Πρόσθεσε ότι οι εμφυτεύσιμες συσκευές πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερες για να ελαχιστοποιηθεί ο αντίκτυπός τους στους ασθενείς.
"Προς το παρόν, οι μπαταρίες είναι πολύ περιορισμένες ως προς το πόσο μικρές μπορούν να γίνουν: εάν κάνετε μια μπαταρία μικρότερη, μειώνεται η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να παρέχει", είπε ο Simons. "Έχουμε δείξει ότι με μια συσκευή που είναι 100 φορές πιο λεπτή από μια ανθρώπινη τρίχα, μπορούμε να παρέχουμε ενέργεια που θα αρκούσε για να τροφοδοτήσει μικροσκοπικούς αισθητήρες."
Δεδομένου του πόσο μικρή είναι η κυψέλη καυσίμου μας, μπορεί κανείς να φανταστεί εμφυτεύσιμες συσκευές που έχουν μέγεθος μόνο μερικά μικρόμετρα.
Ο Σάιμονς και οι συνεργάτες του έπρεπε να κάνουν τη νέα συσκευή ικανή να παράγει ηλεκτρική ενέργεια και αρκετά σκληρή ώστε να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 600 βαθμούς Κελσίου. Εάν χρησιμοποιηθεί σε ιατρικό εμφύτευμα, η κυψέλη καυσίμου θα πρέπει να περάσει από μια διαδικασία αποστείρωσης σε υψηλή θερμοκρασία.
Για να βρουν ένα υλικό που θα μπορούσε να αντέξει την υψηλή θερμότητα, οι ερευνητές στράφηκαν στο κεραμικό, το οποίο διατηρεί τις ηλεκτροχημικές του ιδιότητες ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι ερευνητές οραματίζονται ότι το νέο σχέδιο θα μπορούσε να κατασκευαστεί σε εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες ή επιστρώσεις και να τυλιχτεί γύρω από εμφυτεύματα για να τροφοδοτήσει παθητικά τα ηλεκτρονικά, χρησιμοποιώντας την άφθονη παροχή γλυκόζης του σώματος.
Η ιδέα για τη νέα κυψέλη καυσίμου ήρθε το 2016 όταν η Jennifer L. M. Rupp, επιβλέπων διατριβής του Simons και καθηγήτρια του MIT, που ειδικεύεται στα κεραμικά και τις ηλεκτροχημικές συσκευές, έκανε τεστ γλυκόζης κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης της.
"Στο ιατρείο, βαριόμουν πολύ ηλεκτροχημικός, σκεφτόμουν τι θα μπορούσες να κάνεις με τη ζάχαρη και την ηλεκτροχημεία", είπε ο Ρουπ σε ένα δελτίο τύπου. "Τότε συνειδητοποίησα ότι θα ήταν καλό να είχα μια συσκευή στερεάς κατάστασης που να λειτουργεί με γλυκόζη. Και ο Philipp και εγώ συναντηθήκαμε για καφέ και γράψαμε σε μια χαρτοπετσέτα τα πρώτα σχέδια."
Οι κυψέλες καυσίμου γλυκόζης εισήχθησαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1960, αλλά τα πρώτα μοντέλα βασίστηκαν σε μαλακά πολυμερή. Αυτές οι πρώτες πηγές καυσίμου αντικαταστάθηκαν από μπαταρίες ιωδιούχου λιθίου.
"Μέχρι σήμερα, οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται συνήθως για την τροφοδοσία εμφυτεύσιμων συσκευών όπως βηματοδότες", είπε ο Simons. «Ωστόσο, αυτές οι μπαταρίες θα εξαντληθούν τελικά από ενέργεια, πράγμα που σημαίνει ότι ένας βηματοδότης πρέπει να αντικαθίσταται τακτικά. Αυτό είναι στην πραγματικότητα μια τεράστια πηγή επιπλοκών."
Το μέλλον μπορεί να είναι μικρό και εμφυτεύσιμο
Στην αναζήτηση ενός διαλύματος κυψελών καυσίμου που θα μπορούσε να διαρκέσει επ 'αόριστον μέσα στο σώμα, η ομάδα έφτιαξε έναν ηλεκτρολύτη με μια άνοδο και μια κάθοδο από πλατίνα, ένα σταθερό υλικό που αντιδρά εύκολα με τη γλυκόζη.
Ο τύπος των υλικών στη νέα κυψέλη καυσίμου γλυκόζης επιτρέπει ευελιξία ως προς το πού μπορεί να εμφυτευθεί στο σώμα. «Για παράδειγμα, μπορεί να αντέξει το διαβρωτικό περιβάλλον του πεπτικού συστήματος, το οποίο θα μπορούσε να επιτρέψει νέους αισθητήρες να παρακολουθούν χρόνιες ασθένειες όπως το σύνδρομο ευερέθιστου εντέρου», είπε ο Simons.
Οι ερευνητές τοποθέτησαν τα κύτταρα σε γκοφρέτες πυριτίου, δείχνοντας ότι οι συσκευές μπορούν να συνδυαστούν με ένα κοινό υλικό ημιαγωγών. Στη συνέχεια μέτρησαν το ρεύμα που παράγεται από κάθε κύτταρο καθώς έρεαν ένα διάλυμα γλυκόζης πάνω από κάθε γκοφρέτα σε έναν ειδικά κατασκευασμένο δοκιμαστικό σταθμό.
Πολλές κυψέλες παρήγαγαν μια μέγιστη τάση περίπου 80 millivolt, σύμφωνα με αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν σε πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Advanced Materials. Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι αυτή είναι η υψηλότερη πυκνότητα ισχύος από οποιοδήποτε σχέδιο κυψελών καυσίμου γλυκόζης.
Οι κυψέλες καυσίμου γλυκόζης μπορούν να γίνουν χρήσιμες για την τροφοδοσία εμφυτεύσιμων συσκευών χρησιμοποιώντας ένα καύσιμο που είναι άμεσα διαθέσιμο στο σώμα.
Η ομάδα του MIT "άνοιξε μια νέα διαδρομή προς μικροσκοπικές πηγές ενέργειας για εμφυτευμένους αισθητήρες και ίσως άλλες λειτουργίες", ο Truls Norby, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Όσλο στη Νορβηγία, ο οποίος δεν συνέβαλε στην εργασία, είπε σε δελτίο τύπου. "Τα κεραμικά που χρησιμοποιούνται είναι μη τοξικά, φθηνά και όχι το λιγότερο αδρανή, τόσο στις συνθήκες στο σώμα όσο και στις συνθήκες αποστείρωσης πριν από την εμφύτευση. Η ιδέα και η επίδειξη μέχρι στιγμής είναι πράγματι πολλά υποσχόμενα."
Ο Simons είπε ότι οι νέες κυψέλες καυσίμου θα μπορούσαν να ενεργοποιήσουν εντελώς νέες κατηγορίες συσκευών στο μέλλον. «Δεδομένου του πόσο μικρή είναι η κυψέλη καυσίμου μας, μπορεί κανείς να φανταστεί εμφυτεύσιμες συσκευές που έχουν μέγεθος μόνο μερικά μικρόμετρα», πρόσθεσε. "Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε τώρα να αντιμετωπίσουμε μεμονωμένα κύτταρα με εμφυτεύσιμες συσκευές;"
