Электрические угри, которые скользят по грязным днам прудов и ручьев в бассейнах рек Амазонки и Ориноко в Южной Америке, могут вызвать достаточно сильный удар, чтобы сбить лошадь с ног. Их сила исходит от клеток, называемых электроцитами, которые разряжаются, когда угорь охотится или чувствует угрозу.
Теперь исследователи черпают вдохновение из этих угрей (на самом деле не угрей технически, а типа рыбы) для разработки новых источников энергии, которые могли бы однажды привести в действие электрические устройства в теле человека, такие как кардиостимуляторы, датчики и протезы. органы.
По словам Макса Штейна, исследователя материалов из Университета Мичигана, который работал над исследованием, электрические угри могут синхронизировать зарядку и разрядку тысяч клеток в их телах одновременно.
«Если вы подумаете о том, чтобы сделать это очень быстро - за доли секунды - одновременно для тысяч ячеек, это довольно умная схема подключения», - говорит он.
Электроциты электрического угря большие и плоские, их сотни сложены горизонтально. Из-за того, как они сложены, крошечные индивидуальные напряжения ячеек составляют значительный удар. Это возможно, потому что окружающая ткань изолирует электроциты, так что напряжение течет вперед к воде перед рыбой - ошеломляя или убивая добычу или угрозы - затем возвращается обратно, чтобы создать полный контур.
Команда под руководством сотрудника Штейна Майкла Мейера из Фрибургского университета попыталась скопировать физиологию угря, создав около 2500 единиц из натрия и хлорида, растворенных в гидрогелях на водной основе. Они напечатали ряды крошечных разноцветных пуговиц из гидрогелей на длинных листах пластика, чередуя соленые гидрогели с теми, которые были сделаны только с водой. Затем они распечатали второй лист селективно заряженных гидрогелей, каждый из которых пропускал либо положительно заряженные натриевые, либо отрицательно заряженные хлориды. Когда листы были сложены с использованием специальной техники оригами, чередующиеся гели касались и генерировали электричество. Система генерировала 110 вольт - приличный толчок, но намного меньше, чем выходная мощность угря, который имеет более тонкие ячейки с более низким сопротивлением.
Селективно заряженные гидрогели поверх листа солевого (красного) и пресноводного (синего) гидрогелей (Университет Мичигана) Команда, в которую также вошли исследователи из Университета Фрибурга и Калифорнийского университета в Сан-Диего, написала о своем прототипе в журнале Nature в прошлом месяце.
Система гидрогеля мягкая и гибкая, что может сделать ее потенциально хорошим источником энергии для роботов с мягким телом, движения которых будут затруднены жесткими батареями. Он также не содержит потенциально токсичных компонентов традиционных батарей, таких как свинец. А поскольку система сделана из искусственных компонентов, а не из биологических тканей, у нее низкий потенциал для отторжения иммунитета.
Исследователи надеются, что они смогут повысить мощность системы, сделав гидрогелевые мембраны более тонкими. Они также надеются имитировать способность угря использовать его собственные биологические жидкости для поддержания различий в концентрации электролита между электроцитами. Это может сделать возможным постоянное питание имплантированного устройства без внешнего входа.
«Прелесть био-батарей с электрическим угрем заключается в том, что принципы, по которым они работают, просты, а заряженные частицы, которые движутся для генерации тока, легко доступны - в основном это просто ионы в растворе, как в поваренной соли, - которые естественным образом встречаются в нашем организме», говорит Гарольд Закон, профессор неврологии в Техасском университете в Остине, который изучает электрические угри. «Поскольку клетки электрических органов заряжаются движущимися ионами через клеточные мембраны, им никогда не потребуется подключаться к стене или внешнему источнику питания, а полагаться на собственную энергию организма, чтобы поддерживать их заряженными».
