Гибкость, биосовместимость и высокая мощность — редкое сочетание для источников питания, работающих внутри или рядом с живыми тканями. Однако исследователи из Университета штата Пенсильвания нашли неожиданный ориентир в природе и приблизились к этому идеалу, подсмотрев, как электрические угри вырабатывают разряды.
Имплантируемые медицинские устройства, мягкая робототехника и носимая электроника предъявляют к источникам питания противоречивые требования. С одной стороны — безопасность, нетоксичность и гибкость. С другой — способность выдавать высокую мощность. Большинство существующих решений жертвуют либо надежностью, либо эффективностью. Команда Penn State предложила иной путь: полностью гидрогелевые батареи, вдохновленные ионной «архитектурой» электрических угрей.
Результаты опубликованы в журнале Advanced Science — и выглядят как заметный шаг вперед.
Что позаимствовали у угря
Электрические угри не используют «батарейки» в привычном смысле. Их разряды формируются за счет работы тысяч электроцитов — ультратонких клеток, которые синхронно перекачивают ионы и создают кратковременные, но мощные электрические импульсы. В сумме такие клетки способны выдавать более 600 вольт.
Исследователи воспроизвели этот принцип на искусственном уровне. Они создали многослойную структуру из разных типов гидрогелей — водонасыщенных материалов, способных проводить электричество. Слои уложены в строго заданном порядке, имитируя ионные процессы в теле угря. Результат — компактный источник энергии с высокой удельной мощностью и без жестких опорных конструкций.
Как устроена технология
Ключевую роль сыграла технология spin coating — нанесение сверхтонких слоев на вращающуюся поверхность. С ее помощью команда сформировала четыре слоя гидрогеля, каждый толщиной всего около 20 микрометров — это в несколько раз тоньше человеческого волоса.
Зачем такая миниатюрность? Чем тоньше слой, тем ниже внутреннее электрическое сопротивление, а значит — выше отдаваемая мощность. При этом, вопреки ожиданиям, конструкция остается прочной и гибкой.
Ранее гидрогелевые источники энергии почти всегда требовали внешних поддерживающих структур. Это усложняло конструкцию и резко снижало эффективность. Тонкая геометрия позволила отказаться от «костылей» и одновременно повысить энергетические характеристики.
Тонкая настройка химии
Сделать гидрогель таким тонким оказалось непросто. Обычные составы просто разлетались при вращении. Поэтому исследователям пришлось буквально «подкручивать» химию: подбирать вязкость, механическую прочность и способность материала равномерно растекаться.
Оптимальный состав позволил не только сформировать стабильные ультратонкие слои, но и добиться рекордных показателей. Новые источники энергии демонстрируют удельную мощность около 44 кВт/м³ — выше, чем у любых ранее описанных гидрогелевых аналогов. Этого достаточно, чтобы питать имплантируемые сенсоры, контроллеры мягких роботов и элементы носимой электроники.
Работа в экстремальных условиях
Еще один сюрприз — устойчивость к окружающей среде. Добавление глицерина позволило гидрогелям сохранять работоспособность при температурах до –80 °C, не замерзая. Кроме того, материал удерживает влагу в разы дольше обычных гидрогелей: вместо нескольких минут — дни на открытом воздухе, без потери проводимости.
По словам авторов, это первый известный источник питания, полностью заключенный в гидрогель и не требующий внешней поддержки, при столь высокой мощности и стабильности.
Следующий этап — дальнейшее увеличение удельной мощности и повышение эффективности перезарядки. В перспективе команда также рассматривает варианты самозарядки, что сделало бы такие системы еще ближе к биологическим прототипам.
Природа снова подсказывает инженерам решения, которые сложно придумать с нуля. И если раньше электрический угорь казался скорее экзотикой, то теперь он может стать символом нового поколения мягкой и безопасной энергетики.
