Japonskí inžinieri predstavili riešenie, ktoré môže zásadne zmeniť podobu nositeľnej elektroniky. Tím z Tokyo University of Science navrhol zariadenie, ktoré premieňa pot priamo na elektrickú energiu.

Kľúčom je vodná enzýmová farba, vďaka ktorej sa dajú kompletné biopalivové články tlačiť jedným výrobným krokom. Technológia tak sľubuje cestu k zdravotným náplastiam bez batérie, ktoré by bolo možné vyrábať vo veľkom a za nižšie náklady.

Za vývojom stojí docent Isao Shitanda, ktorý ukázal, že jediná špeciálne navrhnutá farba s obsahom enzýmov dokáže vytvoriť obe elektródy energetického článku naraz. Ide o výrazné zjednodušenie doterajšieho postupu, ktorý bol krehký, viacstupňový a náchylný na chyby. Na tému upozornil Earth.

Tlač energie v jednom kroku

Na tenkom papierovom substráte vznikajú tlačené vrstvy, ktoré tvoria dvojicu elektród schopných odoberať elektrinu priamo z chemických látok prítomných v pote. V rámci tohto papierového systému sa podarilo demonštrovať, že enzýmami napustená farba dokáže naraz vytvoriť anódu aj katódu palivového článku.

Namiesto samostatného nanášania enzýmov a ich postupného sušenia nová formulácia enzýmy uzamkne priamo do vytlačenej štruktúry. Zachováva sa ich biologická aktivita a zároveň sa udržiava stabilný elektrický výkon. Takéto zjednotenie výroby znižuje rozdiely medzi jednotlivými kusmi a pripravuje pôdu pre ďalší krok, ktorým je prechod z laboratórnych prototypov k odolným nositeľným senzorom.

Doterajšie miniatúrne senzory potu sa síce dajú pohodlne umiestniť na kožu, no ich hrúbku a objem stále určuje gombíková batéria. Tá musí uchovávať energiu, byť chránená pred vlhkosťou a vydržať ohýbanie. Výsledkom sú tuhšie konštrukcie a vyššie náklady.

Pri jednorazových zdravotných náplastiach navyše batérie predstavujú ekologickú záťaž aj komplikácie pri likvidácii. Ak sa batéria odstráni, zariadenie musí energiu získavať priamo na mieste. Zdroj energie preto musí byť jednoducho tlačiteľný a kompatibilný s masovou výrobou.

Elektrina z telesnej chémie

Namiesto skladovania energie tieto tlačené články využívajú chemické látky, ktoré telo prirodzene vylučuje potom. Ide o takzvané enzymatické biopalivové články, malé zariadenia premieňajúce telové chemikálie na elektrinu pomocou enzýmov ako katalyzátorov.

V jednom článku enzým odoberá elektróny z laktátu a elektrický obvod ich následne presúva ku kyslíku na opačnej strane. Práve kyslíková elektróda, teda katóda, bola dlhodobo problematická z hľadiska stabilnej a opakovateľnej tlače. Enzýmy na tejto strane sú mimoriadne citlivé a ťažko sa stabilizujú. Nový prístup však umožnil začleniť enzým pracujúci s kyslíkom do rovnakej tlačiteľnej zmesi, čím sa aj katóda vytvorí jedným krokom.

Gemini

Zmes obsahuje pórovitý uhlíkový prášok, ktorý drží enzýmy, vodný spojovací materiál a zahusťovadlo zabezpečujúce stabilitu počas tlače cez sieťku. Keďže farba nevyužíva agresívne rozpúšťadlá, enzýmy si po vytlačení zachovávajú vyššiu aktivitu, čo je pre nositeľný zdroj energie zásadné.

Laboratórne testy ukázali, že takto vytlačené elektródy poskytujú silnejší prúd a dlhšie si udržujú aktivitu v porovnaní so staršími metódami založenými na kvapkovom nanášaní. Článok napájaný laktátom dosiahol špičkový výkon približne 1 065 mikrowattu na štvorcový palec, čo zodpovedá asi 165 mikrowattom na štvorcový centimeter, a napätie 0,63 voltu bez záťaže. Skladovanie pri teplote 5 stupňov Celzia vo vákuu sa ukázalo ako najvhodnejšie na zachovanie aktivity enzýmov, čo naznačuje reálnu cestu pre logistiku a trvanlivosť produktu.

Od športu po zdravotnú starostlivosť

Hladina laktátu v pote sa počas fyzickej aktivity rýchlo mení a môže dosahovať hodnoty približne od jedného do 25 milimolov na liter. Nový tlačený článok je navrhnutý tak, aby pracoval práve v tomto rozsahu a premieňal vyššiu koncentráciu laktátu na viac elektrónov a vyšší výkon. Hoci vzťah medzi laktátom v pote a v krvi je komplexný a vyžaduje dôkladné klinické overenie, potenciál je zrejmý.

Tréneri a športovci dlhodobo hľadajú spôsob, ako získať spätnú väzbu o záťaži bez invazívneho odberu krvi. Samonapájacia náplasť by mohla premieňať chemický signál na elektrinu aj dátový výstup v reálnom čase. V ošetrovateľstve a starostlivosti o seniorov by kontinuálne sledovanie mohlo včas upozorniť na dehydratáciu, infekciu alebo tepelný stres.

Gemini

„Potrebujeme priniesť na trh enzýmovú farbu, ktorú možno tlačiť rovnomerne a ktorá je vhodná pre masovú výrobu,“ uviedol Shitanda.

Aj napriek zlepšeniam zostáva výkon relatívne nízky, čo znamená, že všetky súčasti náplasti musia s energiou hospodáriť maximálne efektívne. Skutočné komerčné produkty budú vyžadovať dlhodobé testovanie pri nosení, spoľahlivé bezdrôtové pripojenie a dôkaz, že merania zostávajú relevantné naprieč rôznymi používateľmi a podmienkami.

Ak sa však podarí tieto výzvy prekonať, pot ako zdroj energie už nemusí byť len zaujímavým laboratórnym experimentom, ale základom novej generácie inteligentných, batérií zbavených nositeľných zariadení.

Čítajte viac z kategórie: Novinky