Источник питания, принцип действия которого подсмотрен у электрических угрей

Современные батареи существенно ограничивают возможность имплантирования в тело пациента медицинских устройств. Они, как правило, жесткие и изготовлены с применением токсичных материалов, их сложно перезаряжать после имплантации, и они имеют определенный срок жизни, после которого их необходимо заменять. Исследователи из американских университетов в Фрайбурге, Мичигане и калифорнийском Сан-Диего совместно разработали новый источник питания, идея которого была подсмотрена у электрических угрей. Такой источник питания может оставаться неопределенное количество времени в теле человека, полностью избавив медицинское устройство от необходимости применять батареи. Информация об этой разработке опубликована в журнале Nature.

У электрического угря специальные длинные и тонкие клетки, называющиеся электроциты*, соединены друг с другом последовательно, что позволяет им генерировать электрический ток в сотни вольт. На одной стороне электроцита расположены нервные окончания, на другой — ионные каналы. Каждый электроцит, поглощая ионы натрия и высвобождая ионы калия, которые двигаются в противоположных направлениях по ионным каналам, производит небольшое напряжение, но тысячи таких клеток, соединенные последовательно и срабатывающие одновременно, могут произвести шокирующий эффект.

Исследователи использовали тот же принцип и создали миниатюрные модули - ячейки из гидрогеля, которые могут производить ток благодаря разнице в концентрации соли. Одна сторона такого модуля представляет собой соленую воду, другая - пресную, при этом они разделены между собой мембраной с селективным пропусканием ионов. В результате чего положительные ионы натрия устремлялись в отсек с пресной водой, оставляя в своем отсеке отрицательно заряженные ионы (хлориды). В итоге в такой системе происходило накопление электрического потенциала.

Множество таких отдельных, производящих энергию модулей с помощью 3D-принтера соединены последовательно друг с другом. Для того, чтобы эти ячейки производили ток одновременно, исследователи сделали устройство складывающимся, примерно, как оригами, поэтому, когда оно складывается, все соединения осуществляются одновременно и ток всех модулей высвобождается.

В результате может генерироваться ток напряжением до 110 вольт, что вполне достаточно для питания кардиостимуляторов любого типа.

В настоящее время исследователи работают над улучшением своего изобретения, включая создание дополнительных способов генерации тока, чтобы повысить энергоемкость "батареи". Кроме этого, такие гидрогелевые мембраны могут быть улучшены — с более тонкими мембранами этот источник питания может быть использован в имплантатах, таких как кардиостимулятор.

* Электроциты - дисковидной формы клетки, образующиеся из цилиндрических миотрубок, вырабатывающие электрический ток.