Носимые биотопливные элементы производят электричество из лактата

Нельзя отрицать, что за последние несколько десятилетий миниатюризация электронных устройств достигла огромных успехов. Сегодня, после карманных смартфонов, которые могут посрамить старые настольные компьютеры, и множества вариантов беспроводной связи, существует особый тип устройств, разработка которых неуклонно продвигается вперед: носимые биосенсоры. Эти крошечные устройства обычно предназначены для ношения непосредственно на коже для измерения конкретных биосигналов и отправления результатов измерений по беспроводной сети на смартфоны или компьютеры, для отслеживания состояния здоровья пользователя.

Хотя материаловеды разработали множество типов гибких цепей и электродов для носимых устройств, было сложно найти подходящий источник питания для носимых биосенсоров. Традиционные кнопочные батарейки, такие как те, что используются в наручных часах и карманных калькуляторах, слишком толстые и громоздкие, тогда как более тонкие батарейки могут создавать проблемы с емкостью. Но что, если бы мы сами были источниками питания носимых устройств?

Группа ученых под руководством доцента Исао Шитанда из Токийского университета, Япония, изучает эффективные способы использования пота в качестве единственного источника энергии для носимой электроники. В своем последнем исследовании они представляют новую конструкцию массива биотопливных ячеек, в котором используется химическое вещество пота, лактат, для выработки энергии, достаточной для работы биосенсора и устройств беспроводной связи в течение короткого времени.

Их новый массив биотопливных элементов выглядит как бумажная повязка, которую можно носить, например, на руке или предплечье. По сути, он состоит из водоотталкивающей бумажной основы, на которой последовательно и параллельно выложено несколько биотопливных элементов; количество ячеек зависит от выходного напряжения и требуемой мощности. В каждой ячейке электрохимические реакции между лактатом и ферментом, присутствующим в электродах, производят электрический ток, который течет к общему токоприемнику, сделанному из проводящей углеродной пасты.

Это не первый биотопливный элемент на основе лактата, но некоторые ключевые отличия выделяют эту новую конструкцию среди существующих биотопливных элементов. Одно из них заключается в том, что все устройство может быть изготовлено с помощью трафаретной печати, метода, обычно подходящего для рентабельного массового производства. Это стало возможным благодаря тщательному выбору материалов и оригинальной планировке. Например, в то время как аналогичные предыдущие элементы использовали серебряные проволоки в качестве проводящих путей, в новых биотопливных элементах используются пористые углеродные чернила. Еще одно преимущество - способ доставки лактата в клетки. Слои бумаги используются для сбора пота и его переноса ко всем клеткам одновременно за счет капиллярного эффекта - того же эффекта, благодаря которому вода быстро проходит через салфетку.

Эти преимущества дают массивам биотопливных элементов беспрецедентную способность передавать энергию электронным схемам, как отмечает доктор Шитанда: «В наших экспериментах бумажные биотопливные элементы могли генерировать напряжение 3,66 В и выходную мощность 4,3 мВт. Насколько нам известно, эта мощность значительно выше, чем у ранее описанных лактатных биотопливных элементов». Чтобы продемонстрировать их применимость для носимых биосенсоров и обычных электронных устройств, команда изготовила биосенсор лактата с автоматическим приводом, который может не только питаться от лактата и измерять концентрацию лактата в поте, но и передавать измеренные значения в режиме реального времени на смартфон через маломощное устройство Bluetooth.

Как объяснялось в предыдущем исследовании, также проведенном доктором Шитандой, лактат является важным биомаркером, который отражает интенсивность физических упражнений в режиме реального времени, что актуально при тренировках спортсменов и пациентов, проходящих реабилитацию. Однако предлагаемые массивы биотопливных ячеек могут питать не только носимые лактатные биосенсоры, но и другие типы носимой электроники. «Нам удалось запустить коммерчески доступный измеритель активности в течение 1,5 часов, используя одну каплю искусственного пота и наши биотопливные элементы, - объясняет доктор Шитанда, - и мы ожидаем, что они будут способны питать все виды устройств, такие как умные часы и другие обычные портативные гаджеты».

Комментарии: