Es wurden neue implantierbare Geräte zur Einführung menschlicher Batterien entwickelt

Laut ausländischen Medienberichten untersuchen Wissenschaftler derzeit die Verwendung von piezoelektrischen Effekten, thermischer Energieumwandlung, elektrostatischen Effekten und chemischen Reaktionen, um mechanische, thermische und chemische Energie im menschlichen Körper in elektrische Energie umzuwandeln, um tragbare oder implantierbare Geräte anzutreiben.

In "I Sing the Body Electric" beschreibt der Dichter Walter Whitman zutiefst die "Aktion und Kraft" von "schönen, eigenartigen, atmenden und lachenden Muskeln". Mehr als 150 Jahre später geben die MIT-Materialwissenschaftlerin und Ingenieurin Canan Dagdeviren und ihre Kollegen dem Studium von Whitmans Gedichten eine neue Bedeutung. Sie untersuchen ein Gerät, das anhand des Herzschlags der Menschen Strom erzeugen kann.

Die derzeitigen elektronischen Fähigkeiten sind so leistungsfähig, dass die Rechenleistung von Smartphones die Verarbeitungsleistung der bemannten Ausrüstung der NASA bei weitem übertrifft, als 1969 die ersten Astronauten zum Mond geschickt wurden. Im Laufe der Zeit hat die rasante Entwicklung der Technologie zu immer höheren Ergebnissen geführt Erwartungen an tragbare oder implantierbare Geräte.

Der Hauptnachteil der meisten tragbaren und implantierten Geräte bleibt die Batterielebensdauer, und ihre begrenzte Batteriekapazität begrenzt ihre langfristige Verwendung. Wenn Ihr Herzschrittmacher keinen Strom mehr hat, müssen Sie eine Operation durchführen, um die Batterie auszutauschen. Die grundlegende Lösung für dieses Problem kann im menschlichen Körper liegen, da der Körper reich an chemischer Energie, Wärmeenergie und mechanischer Energie ist. Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, wiederholt zu untersuchen, wie Geräte Energie aus dem menschlichen Körper gewinnen.

Zum Beispiel kann die Bewegung einer Person während des Atmens 0,83 Watt Energie erzeugen; Die Wärme des menschlichen Körpers in einem ruhigen Zustand beträgt etwa 4,8 Watt; Der Arm einer Person bewegt sich bis zu 60 Watt Energie. Ein Herzschrittmacher benötigt nur fünf Teile pro Million für eine Lebensdauer von sieben Jahren, ein Hörgerät benötigt nur eine von tausend Watt, um fünf Tage lang zu arbeiten, und ein Watt Energie ermöglicht es einem Smartphone, fünf Stunden lang zu arbeiten.

Jetzt untersuchen Dagdeviren und Kollegen, wie der menschliche Körper selbst als Energiequelle für Geräte genutzt werden kann. Forscher haben begonnen, tragbare oder implantierbare Geräte bei Tieren und Menschen zu testen.

Eine der Energiesammelstrategien besteht darin, Energie aus Vibration, Druck und anderen mechanischen Beanspruchungen in elektrische Energie umzuwandeln. Dieses Verfahren kann ein sogenanntes Piezoelektrikum erzeugen, das üblicherweise für Lautsprecher und Mikrofone verwendet wird.

Ein häufig verwendetes piezoelektrisches Material ist Blei-Zirkonat-Titanat. Sein hoher Bleigehalt gibt jedoch Anlass zur Sorge, da Blei für den Menschen zu giftig ist. Dagdeviren sagte: "Aber wenn Sie die Struktur des Bleis auflösen wollen, müssen Sie es auf 700 Grad Celsius oder mehr erwärmen." Dagdeviren sagte: "Sie können diese Temperatur im menschlichen Körper niemals erreichen."

Bisher wurde die Ausrüstung an Kühen, Schafen und Schweinen getestet, da die Herzen der Tiere ungefähr so groß sind wie die der menschlichen Herzen. "Wenn diese Geräte mechanisch verzerrt sind, erzeugen sie positive und negative Ladungen, Spannungen und Ströme, sodass sie zum Laden der Batterie gesammelt werden können", erklärt Dagdeviren. "Sie können sie verwenden, um biomedizinische geräte wie Herzschrittmacher zu betreiben. Anstatt alle sechs oder sieben Jahre nach Erschöpfung der Batterie einen chirurgischen Austausch durchzuführen."

Wissenschaftler entwickeln auch tragbare piezoelektrische Energiekollektoren, die an den Knien oder Ellbogengelenken getragen oder in Schuhen, Hosen oder Unterwäsche getragen werden können. Auf diese Weise kann eine Person beim Gehen oder Bücken Strom für elektronische Produkte erzeugen.

Bei der Konstruktion eines piezoelektrischen Elements ist kein effizientestes Material zur Stromerzeugung erforderlich, was etwas kontraintuitiv zu sein scheint. Zum Beispiel können die von den Wissenschaftlern verwendeten Materialien dürfen nur 2 <UNK> oder weniger Umwandlungseffizienz, anstatt Auswahl der Materialien, die 5 <UNK> umwandeln können von mechanischer Energie in elektrische Energie um. Wenn sich mehr ändert, "kann dies durch mehr Gewicht auf den Körper geschehen, aber die Benutzer möchten auf keinen Fall müde werden", sagt Dagdeviren.

Eine andere Energiesammelmethode besteht darin, thermoelektrische Umwandlungsmaterialien zu verwenden, um Körperwärme in elektrische Energie umzuwandeln. "Ihr Herz schlägt mehr als 40 Millionen Mal im Jahr", betont Dagdeviren. All diese Energie wird in Körperwärme umgewandelt und abgeführt - und genau diese potenzielle Ressource kann erfasst werden.

Es gibt in der Tat einige Hauptprobleme bei der Erzeugung menschlicher Wärmekraft. Diese Energieumwandlungsmethode hängt oft von Temperaturunterschieden ab, aber die Körpertemperatur bleibt oft in einem ziemlich konstanten Zustand, so dass der Temperaturunterschied im Körper nicht ausreicht, um viel Strom zu erzeugen. Wenn diese Geräte jedoch die Körpertemperatur erfassen können, während sie einer relativ kühlen äußeren Umgebung ausgesetzt sind, können sie das Problem lösen.

Wissenschaftler erforschen Wärmekraftwerke für tragbare Geräte wie Uhren. Im Prinzip kann die vom menschlichen Körper erzeugte Wärme genug Strom erzeugen, um drahtlose Gesundheitsmonitore, künstliche Hörgeräte und Stimulatoren der Hirnrinde für die Parkinson-Krankheit bereitzustellen.

Darüber hinaus versuchen Wissenschaftler, Geräte durch den üblichen elektrostatischen Effekt mit Strom zu versorgen. Wenn zwei verschiedene Materialien wiederholt miteinander kollidieren oder reiben, kann die Oberfläche eines Materials Elektronen von der Oberfläche eines anderen Materials aufnehmen und Ladungen ansammeln. Dies nennt man Reibungselektrifizierung. Ein wesentlicher Vorteil der Reibungselektrifizierung besteht darin, dass fast alle Materialien, einschließlich natürlicher Materialien und synthetischer Materialien, statische Elektrizität erzeugen, was den Forschern viele Möglichkeiten bietet, eine Vielzahl von Geräten zu entwerfen.

"Je mehr ich mich mit Reibungselektrifizierung befasse, desto aufregender wird sie und desto häufiger wird sie verwendet", sagt Wangzhonglin, Nanotechnologie-Experte am Georgia Institute of Technology, Mitautor des Papiers. "Ich kann mir vorstellen, in den nächsten 20 Jahren an dieser Forschung zu arbeiten."

Unterschiedliche Materialien haben sehr unterschiedliche Mengen an Elektrizität, die durch Reibung erzeugt werden. Daher experimentieren Wissenschaftler mit verschiedenen Materialien. Die Forscher erstellten ein Würfelgitter ähnlich einem mikroskopisch kleinen Stadtblock, ähnlich den Nanodrähten des Bambuswaldes, und eine Pyramidenanordnung ähnlich der Großen Pyramide von Gizeh. Wang sagte, dass die Materialien nicht nur "schön aussehen", sondern dass das Bedecken der Oberfläche mit einer Pyramidenanordnung die Stromerzeugung um das Fünffache einer Tablette erhöhen könnte.

Forscher haben Herzschrittmacher, Herzmonitore und andere implantierbare Geräte getestet, die durch Atmung und schnellen Herzschlag bei Mäusen, Kaninchen und Schweinen angetrieben werden. "Wir untersuchen auch die Möglichkeit, Reibungselektrizität zu verwenden, um das Zellwachstum zu stimulieren und die Wundheilung zu beschleunigen", sagte Wang. "Darüber hinaus haben wir Reibungselektrizitätsexperimente zur Nervenstimulation gestartet, um zu prüfen, ob wir einen Beitrag zur Neurowissenschaft leisten können."

Wang und seine Kollegen haben auch tragbare Geräte für die Reibungselektrifizierung entwickelt. Zum Beispiel haben sie Reibungsbänder hergestellt, mit denen flexible Armbänder mit lithium-ionen-batterien aufgeladen werden können. Das Gerät kann einen tragbaren Herzfrequenzmesser mit Strom versorgen, der seine Daten mithilfe der Bluetooth-Technologie drahtlos an Smartphones überträgt. "Die mechanische Energie, die durch die tägliche Bewegung des menschlichen Körpers erzeugt wird, kann durch unser Gewebe in Elektrizität umgewandelt werden", sagte Wang.

Eine andere Strategie beruht auf einem Gerät, das als Biokraftstoffzellengerät bezeichnet wird und durch eine chemische Reaktion zwischen dem Enzym und den energiespeichermolekülen im Körper (z. B. Glukose im Blut) oder im Schweiß abgesonderter Milchsäure Elektrizität erzeugt. Beispielsweise zersetzt eine aus Pilzen extrahierte Cellulosehexose-Dehydrogenase Glucose und erzeugt Elektrizität in einem Kohlenstoffrohr im Nanometerbereich (Milliardstel Meter).

Die Wahl des Enzyms kann schwierig sein. Obwohl viele Wissenschaftler herausgefunden haben, dass Glucoseoxidase in Biokraftstoffzellen, die in experimentelle Mäuse implantiert wurden, Elektrizität erzeugen kann, produziert das Enzym auch Wasserstoffperoxid (eine übliche Bleichkomponente), das die Leistung des Geräts beeinträchtigen und den Körper schädigen kann .

In einer anderen Studie zeigten rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, dass in experimentellen Biokraftstoffzellen verwendete Kohlenstoff-Nanoröhren Elektrizität aus dem Körper erzeugen können. Diese Reagenzgläser sind mit Enzymen beschichtet, die mit natürlichen Energiemolekülen wie Laktaten im Schweiß oder Glukose im Blut umgehen können. Dieses Werkzeug ist elektrisch aktiv und bietet gleichzeitig eine große Oberfläche für die Enzym-Energie-Reaktion, sodass in einem bestimmten Volumen mehr Strom erzeugt werden kann.

Französische Wissenschaftler haben auch eine Biokraftstoffzelle entwickelt, die auf enzymbeschichteten Kohlenstoff-Nanoröhren basiert und etwa einen halben Teelöffel groß ist. Wenn es in Mäuse implantiert wird, kann es genug Strom erzeugen, um LED- oder digitale Thermometer mit Strom zu versorgen, indem es mit Blutzucker reagiert. Experimente haben auch gezeigt, dass in Stirnbänder und Armbänder eingewebte Gewebe-Biokraftstoffzellen durch die chemische Reaktion von Milchsäure und Enzymen im Schweiß genügend Strom erzeugen können, um Uhren anzutreiben.

Soweit Dagdeviren weiß, sind diese Geräte noch nicht auf dem Markt erhältlich. Sie sagt jedoch voraus, dass die Technologie in weniger als einem Jahrzehnt vermarktet wird. In Zukunft könnten Energieerfassungsgeräte für den menschlichen Körper besser geeignet sein. Dagdeviren und ihre Kollegen arbeiten sogar an abbaubaren Stromerzeugungsgeräten.

"Stellen Sie sich vor", sagte sie, "wenn Sie ein Gerät in Ihren Körper einführen, wird es nach einer gewissen Zeit in Moleküle zerfallen und sich in Körperflüssigkeiten auflösen. Sie müssen Ihre Brust nicht öffnen, um es zu entfernen: Wir können biologisch abbaubare Materialien verwenden." wie Filamente und Zinkoxid, die sich im Laufe der Zeit zersetzen. "

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