Одна из причин, по которой по улицам пока не ходят мощные киборги, — батареи, необходимые для питания электромеханической части. Они громоздки и склонны разряжаться в самый неподходящий момент. При этом биологическая часть, то есть наше тело, работает круглосуточно за счёт собственной химической, механической и электрической энергии. Теперь учёные придумали, как использовать часть этой энергии для питания носимых устройств и имплантов.
Источник изображения — newatlas.com
Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте создали ультратонкую гибкую электронную сетку, которая объединяется с живыми клетками человеческого сердца и преобразует их механические движения в электричество.
Устройство получило название biohybrid mesh harvester («биогибридный сетчатый сборщик энергии»). Оно состоит из множества крошечных пьезоэлектрических генераторов, распределённых по гибкой сети, в которую и вокруг которой могут расти живые клетки. Когда клетки сокращаются, они деформируют эти генераторы, и те вырабатывают ток. В лабораторных испытаниях, по словам исследователей, технология продемонстрировала более чем десятикратную эффективную плотность энергии по сравнению с традиционными подходами к сбору энергии. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Почему батареи — слабое место имплантов и гаджетов
Электронные импланты и носимые устройства — слуховые (кохлеарные) импланты, бионические протезы, нейростимуляторы, кардиоимпланты и устройства для контроля диабета — необходимы для улучшения жизни сотен миллионов людей по всему миру.
Помимо медицинских вспомогательных и восстановительных устройств, в последние годы стремительно вырос рынок гаджетов для отслеживания здоровья: по данным опроса Rock Health Consumer Adoption Survey 2025 года, около 120 млн взрослых американцев, примерно 46% взрослого населения, владеют носимыми устройствами вроде умных часов и колец. Не угасает и давний интерес к расширению возможностей человека с помощью электроники.
Почти у каждого устройства в этих областях есть общее ограничение: зависимость от батарей. Они занимают ценное место, прибавляют вес и жёсткость и в конце концов разряжаются. Зарядить умные часы — мелкое неудобство, а вот замена батареи в медицинском импланте может потребовать новой операции, а это дополнительные расходы и риски для здоровья. Более компактные и тонкие батареи частично решают эти проблемы, но запасают меньше энергии, что может сокращать время работы устройств.
Поэтому учёные ищут альтернативные способы питания электроники за счёт энергии самого тела. Это, например, термоэлектрические генераторы, использующие разницу температур между телом и окружающей средой, и пьезоэлектрические генераторы, превращающие механические движения в электричество. Недавно исследователи также создали печатный текстиль, который собирает диэлектрические заряды от движений владельца.
Пьезогенераторы особенно привлекательны для имплантов, ведь тело постоянно движется: лёгкие расширяются и сжимаются, сердце ритмично бьётся. Когда некоторые пьезоэлектрические материалы сжимают или растягивают, в них возникает электрический заряд, который можно собрать и использовать для питания электроники. Их уже опробовали в экспериментальных медицинских имплантах, в том числе в кардиостимуляторах, питавшихся от сердцебиения животных.
Однако обычные пьезоэлектрические сборщики энергии, как правило, представляют собой отдельные устройства, закрепляемые на поверхности живой ткани. У такого централизованного подхода есть несколько проблем. Во-первых, механические свойства таких устройств заметно отличаются от свойств мягкой гибкой биологической ткани, из-за чего сложно добиться бесшовной интеграции. Во-вторых, контакт с тканью в основном ограничен поверхностью, а значит, генерирующие элементы не могут тесно взаимодействовать с движениями клеток. Наконец, увеличение размера или числа таких устройств добавляет объём и механические ограничения.
Как устроена биогибридная сетка
Чтобы обойти эти ограничения, учёные из UMass Amherst выбрали другой подход, вдохновлённый тем, как живые организмы распределяют выработку энергии по тканям. Сначала они изготовили массивы крошечных лент из цирконата-титаната свинца (PZT) — пьезоэлектрической керамики, которую широко применяют в датчиках и приводах. Под механической деформацией материал вырабатывает электрический заряд, поэтому подходит для сбора энергии от движений живых клеток.
Затем эти ленты встроили в ультратонкую, очень гибкую полимерную сетку, получив сеть из связанных между собой модулей, собирающих энергию. В отличие от обычных сплошных подложек, открытая ячеистая структура оставляет пространство, через которое живые клетки могут прорастать и взаимодействовать со встроенной электроникой. Чтобы показать это, исследователи засеяли платформу клетками человеческого сердца: постепенно они проросли внутрь сетки и вокруг неё, интегрировав электронную сеть в формирующуюся ткань.
Получившаяся биогибридная структура могла двигаться и деформироваться вместе с живыми клетками, поэтому электроника работала в тесном механическом контакте с биологической системой. Когда клетки сердца сокращались, они механически деформировали встроенные ленты PZT, а те через пьезоэлектрический эффект вырабатывали электроэнергию сразу во многих точках ткани.
Главное новшество исследования — распределённая архитектура. Вместо относительно крупного сборщика энергии, закреплённого на одном участке ткани, сетка встраивает множество миниатюрных генераторов прямо в структуру ткани. Так энергия собирается по более обширной сети клеточных взаимодействий, а гибкость, необходимая для биологических движений, сохраняется. Авторы также полагают, что более тесная интеграция может улучшить биосовместимость: снизится механическое несоответствие между электронными компонентами и живой тканью.
По данным исследования, система достигла эффективной плотности энергии более чем на порядок выше, чем существующие централизованные подходы. Иначе говоря, новая архитектура показала более чем десятикратный выигрыш в собранной энергии относительно эффективного объёма устройства.
Перспективы и ограничения
Ещё одно потенциальное преимущество — масштабируемость. Сетка очень тонкая и гибкая, поэтому исследователи предлагают укладывать несколько слоёв, чтобы увеличить общую выработку электричества без существенного роста габаритов. В будущем это позволит инженерам подбирать мощность сбора энергии под потребности разных электронных систем.
В перспективе технологию могут применять в медицинских имплантах, таких как кардиостимуляторы, системы мониторинга сердца и нейростимуляторы, а также в другой маломощной электронике, встроенной в организм. Она также способна подтолкнуть новые подходы к питанию носимых датчиков и электронных систем, работающих в тесном контакте с живой тканью.
«Наши тела стремятся отторгнуть системы с громоздкими батареями, но когда устройство существует на клеточном уровне, биосовместимость значительно улучшается, — говорит Цзюнь Яо, старший автор статьи и доцент инженерного колледжа Риччо при UMass Amherst. — Прелесть этой системы в том, насколько она неинвазивна и мощна».
Впрочем, технология пока находится на ранней стадии. Пока исследователи продемонстрировали её только на выращенной в лаборатории сердечной ткани и ещё не испытывали на живом организме и не показали, что она способна самостоятельно питать работающий медицинский имплант. Остаются вопросы о долговечности, электрической мощности и биосовместимости, тем более что PZT содержит свинец, который необходимо надёжно изолировать от окружающих тканей. Тем не менее исследование закладывает многообещающую основу для интеграции электроники с биологической тканью.
