Кровь, пот и слезы как источник энергии

Идея заряжать электронные устройства от собственного тела уже не кажется такой уж немыслимой фантастикой.

В день мы сжигаем в среднем от 2000 до 2500 калорий, чего вполне хватило бы для какого-нибудь обычного смартфона. Если бы мы могли взять у собственного организма хотя бы часть его энергии, то мы сами могли бы стать источником питания для разных электронных девайсов, от медицинских имплантатов до электронных контактных линз. Фантастика? Сегодня – все еще да, но исследователи уже вовсю над этим работают, и, возможно, уже завтра первые подобные разработки выйдут на рынок.

«Ушное электричество»

В ухе млекопитающих постоянно присутствует электрическое напряжение, которое называется эндокохлеарный потенциал. Он формируется между разными отделами улитки внутреннего уха, и он необходим для работы волосковых клеток, которые воспринимают звуки: без эндокохлеарного потенциала они не смогут преобразовывать механическую энергию звуковых волн в электрические импульсы. Разумеется, потенциал в улитке совсем слабенький – около 1/10 вольта – но теоретически его должно хватать для питания слухового аппарата и различных ушных имплантатов.

Долгое время ни у кого даже мысли не было о том, чтобы как-то использовать эндокохлеарный потенциал: внутреннее ухо чрезвычайно чувствительно, и «скачать» с него потенциал, не повредив его, представлялось невозможной задачей. Но к 2012 году хирургическое мастерство и технологические инновации позволили совершить невозможное: исследователи из Массачусетса разработали чип размером с ноготь на руке, который аккумулировал энергию, получая ее напрямую от эндокохлеарного потенциала. Чип, имплантированный в уши морским свинкам, генерировал достаточно электричества, чтобы питать радиопередатчик. Правда, для работы электрических имплантатов нужно в миллион раз больше, чем мощность, которую выдавал чип (он генерировал около нановатта).

Движение и тепло

Эндокохлеарный потенциал, пожалуй, единственный в нашем теле доступный источник, из которого можно напрямую выкачать электричество. С другой стороны, энергию можно получать в других формах и затем перерабатывать ее в электричество. Сердцебиение, дыхание, просто движение – все это производит много кинетической энергии. Но как ее собрать?

У некоторых материалов есть уникальное свойство – когда их деформируют, сжимают, они спонтанно генерируют электричество. Такие материалы называют пьезоэлектриками (от греч. piezo – давлю, сжимаю). Их уже давно используют в производстве, и речь не только о пьезоэлектрических зажигалках – существуют и более занимательные изобретения, основанные на пьезоэффекте, например, пьезоэлектрическая ткань.

Эластичная пьезоэлектрическая ткань, разработанная к 2013 году исследователями из США и Китая, способна вырабатывать электричество от движения человеческого тела. Ходьба со стельками из такой ткани давала энергию, достаточную для 30 светодиодов. Когда же эту ткань приделали к рубашке и стали специально ее тормошить, то за несколько часов от нее удалось зарядить литий-ионный аккумулятор.

Более того, при помощи пьезоэлектриков пытаются добывать энергию и из внутренних органов. Ультратонкий пьезоэлектрический прикрепляли к сердцам, легким и диафрагмам коров и овец, и механическая энергия, рождавшаяся во время их движений, превращалась в электричество. Примечательно, что мощность экзотического источника питания получалась порядка микроватта – как раз столько требуется для питания искусственного сердечного ритмоводителя.

Впрочем, идея прикреплять что-то к внутренним органам понравится не каждому, и тут есть еще один вариант – термоэлектрическая ткань, способная превращать в электричество энергию теплового потенциала (т. е. разность температур между чем-то более холодным и чем-то более теплым). Первую такую ткань создали в 2015 году исследователи из Австралии и Китая. Ее еще не пробовали вделывать в одежду, но, когда в отапливаемом помещении ее нагревали до температуры человеческого тела, она работала. Электричества от нее получается, правда, гораздо меньше, чем от пьезоэлектрической ткани – лишь около нановатта, то есть по эффективности она равна ушному чипу, но для первой попытки все равно неплохо.

Кровь

Живые клетки запасают энергию в химической форме. Здесь тоже есть способ подступиться к этим богатым энергетическим залежам: энзимный топливный элемент. Как и обыкновенные топливные элементы, его работа состоит в том, чтобы извлекать электроны из топлива посредством химической реакции окисления. Но в отличие от большинства топливных элементов, он использует в качестве катализатора не металлы типа никеля или платины, а энзимы, или ферменты.

Устройство энзимного топливного элемента совсем нехитрое. Фермент, который в организме участвует в обмене глюкозы, окисляет ее (или какую-нибудь другую органическую молекулу) на аноде, освобождая ион водорода. На катоде уже другой фермент соединяет ион водорода с кислородом – получается вода. Электроны, которые освобождаются в ходе реакции на аноде, перемещаются к катоду, к воде, и этот электрический ток можно использовать.

То, что энзимные топливные элементы работают на ферментах, а не на металлах, дает большие преимущества. С ними можно использовать в качестве топлива органические вещества вроде глюкозы; кроме того, такие элементы гораздо более практичны. Металлы (платина и др.), которые используют в обычных топливных элементах – исчерпаемые природные ресурсы, и их добыча которых стоит больших денег; ферменты же можно легко синтезировать в лаборатории или просто позаимствовать у живых организмов.

Откуда же добывать само топливо для энзимных топливных элементов? В первую очередь в голову приходит, конечно, кровь, ведь она по определению насыщена глюкозой. Идею использовать кровь впервые реализовали французские исследователи в 2010 году. Они изготовили энзимный топливный элемент длиной около 2,5 см, работающий на глюкозе, и вживили его в живот крысы. Элемент успешно проработал 11 дней, не причиняя животному особого дискомфорта. Все это время элемент выдавал мощность порядка двух микроватт, чего в теории более чем достаточно для питания искусственного ритмоводителя.

К 2012 другая французская научная группа (в которую вошли исследователи из прежней) смогла повысить мощность устройства до 40 микроватт – такого питания хватило одновременно для светодиода и цифрового термометра. В будущем, возможно, именно энзимные элементы помогут забыть об операциях по замене медицинских имплантатов, у которых закончилась батарейка.

Пот

Добыть топливо на самом деле можно и не такой «кровавой» ценой – кровь можно поменять на обычный пот. Глюкозы там недостаточно, зато есть молочная кислота.

Один из первых энзимных топливных элементов, вырабатывающих электричество от пота, создали в 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Элемент выглядел как липкий пластырь, который нужно было прикреплять к телу на время физической тренировки. Мощность пластыря-генератора, правда, оказалась недостаточной, чтобы питать хоть какую-то электронику, но свой потенциал технология доказала.

И уже в 2014 году другая научная группа из того же университета разработала энзимный топливный элемент на тканевой основе, предназначенный для вшивания в напульсники. Езда на велосипедном тренажере в таком напульснике позволяла запитать светодиод или электронные часы. Хотя для непрерывной работы электричества все еще было недостаточно, несколько десятков секунд светодиод и часы успевали проработать. В перспективе энергией из пота можно будет «кормить» разную портативную электронику вроде смарт-часов, правда, тут придется все-таки немного подождать.

Слезы

Но в повседневной жизни мы все же потеем не так уж часто и обильно, так что энзимные топливные элементы, работающие от пота, могут получить достаточно топлива разве что во время тренировки в спортзале. Есть более бесперебойный источник топлива – это слезы. Не то чтобы мы плачем больше, чем потеем, но ведь глаза у нас всегда увлажнены, независимо от эмоционального состояния. Слезы богаты органическими веществами, в том числе глюкозой, молочной и аскорбиновой кислотами. Здесь даже не нужно придумывать, куда пристроить топливный элемент: уже существует готовый и очень удобный носитель в виде контактных линз.

Умные линзы могут пригодиться для самых разных целей. Их можно заставить анализировать биохимический состав слезной жидкости, они могут корректировать свое фокусное расстояние в зависимости от того, куда смотрит глаз, или вообще отображать какую-нибудь информацию. По мнению Расса Райда, специалиста по биоинженерии из Университета Юты, «помимо геймеров, контактными линзами с функцией дополненной реальности будут пользоваться правоохранительные органы и военнослужащие во время профессиональных тренировок».

Пока что такие идеи остаются фантастикой, но Райд и его коллеги непрерывно трудятся, чтобы как можно скорее воплотить их в жизнь. В 2015 году они разработали первую в мире контактную линзу со встроенным энзимным топливным элементом. После того, как ее поместили в раствор искусственной слезы, линза выдавала мощность более одного микроватта на протяжении трех часов. Этого опять же слишком мало даже для того, чтобы заставить беспрерывно светиться светодиод, но технологии есть куда расти.

Впрочем, то же самое можно сказать про все технологии, которые пытаются «накормить» электронные устройства энергией человеческого организма: все они находятся пока что в зачаточном состоянии, но их перспективы очевидны, и, что главное, из разряда фантазий они уже перешли в разряд конкретных научных разработок.

По материалам Arstechnica.com.