Ученые разработали технологию, которая позволяет питать носимую электронику с помощью человеческого пота и специальной пленки из мертвых бактерий.
Технология разработана командой из Университета Массачусетса в Амхерсте (UMass Amherst). Разработка основана на предыдущих исследованиях конкретного штамма бактерий, известного как Geobacter sulfurreducens. Эти бактерии также известны как «электрицигены».
Микроорганизм продемонстрирует необычную способность производить электроэнергию при определенных условиях - в том числе во время процесса испарения. Это делает его идеальным кандидатом для использования в биопленках, которые можно наносить на кожу. В этом случае электричество для питания электроники генерируется в процессе испарения пота.
До сих пор главная проблема заключалась в том, что было сложно поддерживать жизнь этих микробов. Но оказалось, что бактерии справляются со своей задачей, даже будучи мертвыми. Более того, мертвые бактерии генерируют даже больше энергии, чем живые.
«Они гораздо более эффективны. Мы упростили процесс выработки электроэнергии, радикально сократив объем необходимой обработки. Мы устойчиво выращиваем клетки в биопленке, а затем используем эту агломерацию клеток. Это сокращает затраты энергии, упрощает все и расширяет потенциальные приложения», - говорит Дерек Ловли, профессор микробиологии в UMass Amherst и один из старших авторов исследования.
Как это работает?
Бактерии G. sulfurreducens выращиваются в формате тонких колоний толщиной около листа бумаги. В этих колониях каждый микроорганизм соединяется со своими соседями с помощью того, исследователи называют «естественными нанопроводами».
Команда берет эти пласты бактерий и вытравливает в них небольшие схемы с помощью лазера. Затем они зажимаются между электродами и заключаются в мягкий пористый полимерный пластырь, который цепляется на кожу. Там он начинает вырабатывать электричество, когда с кожи пользователя испаряется пот.
Интересно, что эта биопленка работает гораздо лучше, чем генераторы тока на основе неорганического испарения, когда речь идет именно о соленой воде. Также ее структура облегчает испарение. Исследователи отмечают, что «испарение воды через биопленку происходит даже быстрее, чем с открытой водной поверхности».
Зачем это нужно?
«Ограничивающим фактором носимой электроники всегда был источник питания. Заряд в батареях кончается и их нужно перезаряжать. Также они громоздкие, тяжелые и неудобные», - говорит Дзюн Яо, профессор электротехники и вычислительной техники в UMass, соавтор статьи.
По словам ученых, новая биопленка производит столько же энергии, сколько батарея сопоставимого размера. При этом пленка не нуждается в питании или уходе, ее не нужно заряжать.
Эксперименты показали, что биопленка в виде кожного пластыря сохраняет свою работоспособность в течение, по меньшей мере, 18 часов. В лабораторных испытаниях биопленка сохраняет производительность даже на 35-й день тестирования. При этом выработки энергии хватает, чтобы питать датчик, измеряющий пульс, дыхание и другие телесные сигналы. Также листы биопленки могут питать носимый электрохимический датчик глюкозы, что очень актуально для диабетиков.
Впрочем, потенциал устройства может быть намного больше, чем питание носимых гаджетов. «Наши результаты показывают, что листы биопленки являются инновационным, устойчивым материалом, способным к масштабируемому производству электроэнергии за счет производства электроэнергии на основе испарения», - говорится в исследовании.
Речь идет о масштабной выработке электроэнергии за счет испарения морской воды. Около 50% огромного количества солнечной энергии, которая достигает Земли, тратится именно на испарение воды с поверхности морей и океанов. Ученые предполагают, что с помощью подобных биопленок часть этой энергии можно будет превратить в электричество.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
