Внедрение новой батареи имплантируемое оборудование для питания человека было разработано

Согласно сообщениям зарубежных СМИ, ученые в настоящее время изучают использование пьезоэлектрических эффектов, преобразования тепловой энергии, электростатических эффектов и химических реакций для преобразования механической, тепловой и химической энергии в электрическую энергию в организме человека для питания носимых или имплантируемых устройств.

В «Я пою электрическое тело» поэт Уолтер Уитмен глубоко описывает «действие и силу» «красивых, своеобразных, дышащих и смеющихся мускулов». Более чем 150 лет спустя материаловед и инженер Массачусетского технологического института Канан Дагдевирен и ее коллеги придают новый смысл изучению поэзии Уитмена. Они изучают устройство, которое может генерировать электричество на основе ударов сердца людей.

Современные электронные возможности настолько мощны, что вычислительная мощность смартфонов намного превосходит вычислительную мощность соответствующего пилотируемого оборудования НАСА, когда первые астронавты были отправлены на Луну в 1969 году. Со временем быстрое развитие технологий привело к все более и более высокому уровню развития технологий. ожидания в отношении носимых или имплантируемых устройств.

Основным недостатком большинства носимых и имплантированных устройств остается время автономной работы, а их ограниченная емкость аккумулятора ограничивает их длительное использование. Когда у вашего кардиостимулятора заканчивается заряд, вам нужно выполнить операцию по замене батареи. Фундаментальное решение этой проблемы может лежать внутри человеческого тела, потому что тело богато химической энергией, тепловой энергией и механической энергией. Это побудило ученых неоднократно изучать, как устройства получают энергию от человеческого тела.

Например, движение человека во время дыхания может произвести 0,83 Вт энергии; Теплота человеческого тела в спокойном состоянии составляет около 4,8 Вт; Рука человека перемещает до 60 Вт энергии. Для работы кардиостимулятора требуется всего пять частей на миллион, чтобы прослужить семь лет, слуховому аппарату требуется только одна из тысячи ватт для работы в течение пяти дней, а один ватт энергии позволяет смартфону работать в течение пяти часов.

Сейчас Дагдевирен и его коллеги изучают, как использовать само человеческое тело в качестве источника энергии устройства. Исследователи начали тестирование носимых или имплантируемых устройств на животных и людях.

Одна из стратегий сбора энергии включает преобразование энергии вибрации, давления и других механических нагрузок в электрическую энергию. С помощью этого метода можно производить так называемый пьезоэлектрик, обычно используемый для динамиков и микрофонов.

Одним из широко используемых пьезоэлектрических материалов является цирконат титанат свинца, но его высокое содержание свинца вызывает беспокойство, поскольку свинец слишком токсичен для человека. Дагдевирен сказал: «Но если вы хотите разрушить структуру свинца, вам нужно нагреть его до 700 градусов по Цельсию или больше». Дагдевирен сказал: «Человеческое тело никогда не сможет достичь такой температуры».

До сих пор оборудование было протестировано на коровах, овцах и свиньях, потому что сердца животных примерно такого же размера, как человеческие сердца. «Когда эти устройства механически деформируются, они генерируют положительные и отрицательные заряды, напряжения и токи, так что их можно собрать для зарядки аккумулятора», - объясняет Дагдевирен. «Вы можете использовать их для работы биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы. Вместо того, чтобы выполнять хирургическую замену каждые шесть или семь лет после того, как батарея разрядится».

Ученые также разрабатывают носимые пьезоэлектрические коллекторы энергии, которые можно носить на коленях или локтевых суставах или помещать в обувь, брюки или нижнее белье. Таким образом, человек может вырабатывать электричество для электронных товаров, когда он идет или наклоняется.

При разработке пьезоэлектрического элемента нет необходимости в наиболее эффективном материале для выработки электричества, что кажется несколько нелогичным. Так, например, материалы, используемые учеными могут иметь только 2 <УНК> или меньшую эффективность преобразования, вместо выбора материалов, которые могут преобразовывать-<UNK> механической энергии в электрическую энергию. Если он изменится еще больше, «это может быть достигнуто за счет увеличения веса тела, но пользователи определенно не хотят уставать», - говорит Дагдевирен.

Другой метод сбора энергии - использование термоэлектрических преобразовательных материалов для преобразования тепла тела в электрическую энергию. «Ваше сердце бьется более 40 миллионов раз в год», - отмечает Дагдевирен. Вся эта энергия преобразуется в тепло тела и рассеивается - и это именно тот потенциальный ресурс, который можно уловить.

Действительно, существуют некоторые серьезные проблемы с выработкой тепловой энергии людьми. Этот метод преобразования энергии часто зависит от разницы температур, но температура тела часто поддерживает довольно постоянное состояние, поэтому разницы температур внутри тела недостаточно для выработки большого количества электричества. Однако, если эти устройства могут измерять температуру тела при воздействии относительно прохладной внешней среды, они могут решить проблему.

Ученые изучают тепловые электростанции для носимых устройств, таких как часы. В принципе, тепло, производимое человеческим телом, может генерировать достаточно электричества для обеспечения беспроводных мониторов здоровья, искусственных слуховых аппаратов и стимуляторов коры головного мозга при болезни Паркинсона.

Кроме того, ученые также пытаются привести устройства в действие за счет обычного электростатического эффекта. Когда два разных материала неоднократно сталкиваются или трутся друг о друга, поверхность одного материала может захватывать электроны с поверхности другого материала и накапливать заряды. Это называется электризацией трением. Ключевым преимуществом электрификации трением является то, что почти все материалы, включая натуральные и синтетические материалы, генерируют статическое электричество, что дает исследователям множество возможностей для создания различных устройств.

«Чем больше я изучаю электрификацию трением, тем интереснее она становится и тем шире, вероятно, будет использоваться», - говорит Вангчжунлинь, эксперт по нанотехнологиям из Технологического института Джорджии, соавтор статьи. «Я вижу себя работающим над этим исследованием в течение следующих 20 лет».

У разных материалов очень разное количество электричества, генерируемого трением, поэтому ученые экспериментируют с разными материалами. Исследователи создали кубическую сетку, похожую на микроскопический городской квартал, похожую на нанопроволоки бамбукового леса, и массив пирамид, похожий на Великую пирамиду в Гизе. Ван сказал, что материалы не только «выглядят красиво», но и то, что покрытие поверхности пирамидальным массивом может увеличить выработку электроэнергии в пять раз по сравнению с таблеткой.

Исследователи протестировали кардиостимуляторы, кардиомониторы и другие имплантируемые устройства, работающие на основе дыхания и учащенного сердцебиения, у мышей, кроликов и свиней. «Мы также изучаем возможность использования электричества трения для стимуляции роста клеток и ускорения заживления ран», - сказал Ван. «Кроме того, мы начали эксперименты по стимуляции нервов с помощью трения с электричеством, чтобы увидеть, можем ли мы внести какой-либо вклад в нейробиологию».

Ван и его коллеги также разработали носимые устройства для электрификации трением. Например, они сделали фрикционные ленты, которые могут заряжать гибкие браслеты литий-ионными батареями. Гаджет может обеспечивать электроэнергией носимый измеритель сердечного ритма, который использует технологию Bluetooth для беспроводной передачи данных на смартфоны. «Механическая энергия, генерируемая ежедневным движением человеческого тела, может быть преобразована в электричество через нашу ткань», - сказал Ван.

Другая стратегия основана на устройстве, называемом биотопливным элементом, которое вырабатывает электричество в результате химической реакции между ферментом и молекулами-накопителями энергии в организме (например, глюкозой в крови) или молочной кислотой, выделяемой с потом. Например, гексозодегидрогеназа целлюлозы, выделенная из грибов, разлагает глюкозу и производит электричество в углеродной трубке нанометрового (миллиардного) размера.

Выбор фермента может быть непростым. Например, хотя многие ученые обнаружили, что глюкозооксидаза может вырабатывать электричество в биотопливных клетках, имплантированных экспериментальным мышам, фермент также производит перекись водорода (распространенный компонент отбеливателя), что может ухудшить работу устройства и вызвать повреждение организма. .

В другом исследовании сканирующие электронные микрофотографии показали, что углеродные нанотрубки, используемые в экспериментальных биотопливных ячейках, могут генерировать электричество от тела. Эти пробирки покрыты ферментами, которые могут обрабатывать молекулы естественной энергии, такие как лактат в поту или глюкоза в крови. Этот инструмент электрически активен и в то же время обеспечивает огромную площадь поверхности для ферментно-энергетической реакции, позволяя генерировать больше электричества в определенном объеме.

Французские ученые также создали биотопливный элемент на основе углеродных нанотрубок с энзимным покрытием, размер которого составляет около половины чайной ложки. При имплантации мышам он может генерировать достаточно электричества для питания светодиодных или цифровых термометров, реагируя с сахаром в крови. Эксперименты также показали, что тканевые биотопливные элементы, вплетенные в повязки и браслеты, могут генерировать достаточно электричества для питания часов за счет химической реакции молочной кислоты и ферментов в поту.

Насколько известно Дагдевирену, этих устройств пока нет в продаже. Но она прогнозирует, что эта технология появится на рынке менее чем через десять лет. В будущем устройства для сбора энергии могут стать более подходящими для человеческого тела. Дагдевирен и ее коллеги даже работают над разлагаемыми устройствами для выработки электроэнергии.

«Представьте, - сказала она, - что вы вставляете устройство в свое тело, и оно разлагается на молекулы и растворяется в биологических жидкостях после определенного периода работы. Вам не нужно открывать сундук, чтобы удалить его: мы можем использовать биоразлагаемые материалы. , такие как нити и оксид цинка, которые со временем разлагаются ».

Страница содержит содержимое машинного перевода.