Батарея, которая никогда не садится

Ваше тело вырабатывает достаточно энергии для питания носимых устройств, медицинских датчиков и имплантированных устройств, и технические дизайнеры подключаются к этому процессу.

Человек - это сложная машина с подвижными частями, которые сгибаются, сжимаются, растягиваются, текут, дрожат и бьются. Сейчас ученые подключаются к этим источникам энергии, чтобы решить общую проблему, с которой сталкиваются датчики, носимые устройства и имплантируемые медицинские приборы - проблема с разряженными батареями.

Решением проблемы могут стать устройства с автономным питанием, и исследователи обнаружили, что само человеческое тело может быть удобным источником энергии - как раз вовремя, чтобы обеспечить энергией растущий рынок носимых устройств. "Электроцевтики" начинают противостоять фармацевтическим препаратам в медицине, поэтому все больше людей будут зависеть от таких устройств, как имплантированные электростимуляторы и кардиостимуляторы, чтобы оставаться здоровыми.

"Биобатареи" и утилизация энергии могут сделать эти устройства энергоавтономными, устранив необходимость в инвазивной хирургии для замены севших батарей. В качестве бонуса, этот беспроводной мир позволит избежать смещения имплантированных зарядных кабелей или инфицирования - проблемы, которые слишком распространены сегодня.

Ученые работают над устройствами, питающимися от тела, с начала 2000-х годов - до сих пор технология была слишком энергоемкой для тех мизерных объемов электричества, которые можно получить от человека. Но после двух десятилетий прогресса современные устройства потребляют сверхмалое количество энергии, что открывает дорогу множеству идей и прототипов, получающих энергию от людей.

Возможности, которые могут быть доступны:

Клеточная электростанция

Ваши клетки, по сути, являются батареями - биохимическими батареями, которые преобразуют сахарное топливо в энергию. Немецкий стартап CELTRO использует этот живой источник энергии с помощью массивов микроигл для сбора крошечного количества энергии из сотен тысяч клеток. Первым продуктом CELTRO станет крошечный автономный кардиостимулятор. "Мышечное сокращение, как в сердце, начинается в одной точке, а затем распространяется по всей сердечной мышце", - говорит генеральный директор и соучредитель компании Герд Типе. "Наша идея заключалась в том, чтобы собирать энергию в нескольких точках, чтобы использовать этот лавинный эффект". Помимо сбора энергии, многофункциональные микроиглы будут вставляться в сердечную ткань для мониторинга работы сердца и при необходимости подавать электрический импульс для восстановления ритма. В 2021 году компания CELTRO привлекла начальное финансирование для проведения лабораторных исследований, подтверждающих концепцию.

Бумажные топливные элементы

Французский стартап BeFC создает биобатареи с экологичными характеристиками. В топливных элементах используются слои углерода, целлюлозы и глюкозы с добавлением запатентованных ферментов. Добавление капли жидкости - крови или мочи - запускает реакцию, в результате которой вырабатывается электричество. Бумажные пластыри могут питать одноразовые диагностические устройства и датчики непрерывного мониторинга, например, наборы для контроля уровня глюкозы у людей с диабетом. После использования элементы можно даже компостировать - в отличие от других миниатюрных батарей, которые в конечном итоге выбрасываются или сжигаются. В настоящее время BeFC привлекает финансирование серии А и рассчитывает выпустить на рынок первые продукты в 2024 году.

Получение энергии работы сердца

Парижская компания CAIRDAC разрабатывает кардиостимулятор, который питается от самого сердца. Бессвинцовый кардиостимулятор упакован в капсулу, содержащую пьезоэлектрический сборщик энергии - маятник, который раскачивается под воздействием ударов сердца, кровотока и вибраций. Колебания преобразуются в электричество и сохраняются до тех пор, пока устройство не почувствует, что сердцу необходим толчок для восстановления ритма. Недавно компания привлекла 17 миллионов евро (около 18,3 миллиона долларов) в рамках серии А финансирования, чтобы продолжить доклинические испытания и перейти к испытаниям на людях.

Энергия освещения

Солнечные батареи становятся обычным явлением в быту, и вскоре они могут осветить и медицинскую технику. Исследователи из Университета Монаша в Мельбурне (Австралия) обнаружили, что солнечная панель, помещенная под кожу, все равно дает на 10 процентов больше электроэнергии, чем та, что находится под прямыми солнечными лучами - достаточно для питания датчика с ультранизким потреблением. Пару часов на солнце могут обеспечить работу имплантируемого датчика температуры в течение 24 часов, и исследователи говорят, что лучшее место для него - между шеей и плечом.

Сердце как генератор

Мини-турбины могут использовать кровоток и превращать его в электричество, считают исследователи из Бернского университета в Швейцарии. Они разработали турбину в форме торпеды, которая может быть имплантирована в кровеносный сосуд в сердце и вырабатывать электричество из потока крови, подобно гидроэлектростанции. Большой проблемой, пока не решенной, является то, как избежать образования сгустков крови на лопастях турбины, но в лабораторных условиях турбина генерировала достаточно энергии для питания имеющихся в продаже бессвинцовых кардиостимуляторов.

Пьезопластыри

Итальянская компания PiezoSkin утверждает, что разработала ультратонкий пьезоэлектрический пластырь, который может одновременно измерять движения и получать от них энергию. В одном из исследований пластырь использовался для мониторинга движений шеи у людей с дисфагией, или затрудненным глотанием, но биосовместимая пленка компании также может получать энергию от других движений и вибраций тела для датчиков и носимых устройств.

Использование тепла

Человек излучает около 100 ватт в день в виде тепловой энергии, и, по мнению швейцарской компании Mithras, использование этого тепла может обеспечить энергией носимые биосенсоры и даже имплантируемые устройства. Термоэлектрические генераторы, известные как ТЭГ, вырабатывают электричество, используя разницу температур между телом и окружающей средой. По оценкам Mithras, при разнице в 5 градусов Цельсия кожный пластырь TEG площадью 12 квадратных сантиметров может полностью обеспечить энергией кохлеарный имплант.