Zespół z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst pokazał właśnie urządzenie, które zaczyna zbliżać nas do takiej wizji. Elektronika została w nim dosłownie wpleciona w żywe ludzkie komórki, a sam ruch tkanki wykorzystano do produkowania energii elektrycznej.
Elektronika zaczyna przypominać żywą tkankę
Podstawą rozwiązania jest niezwykle cienka i elastyczna siatka zawierająca paski PZT, czyli tytanianu cyrkonianu ołowiu. Materiał ten jest piezoelektrykiem, a więc podczas mechanicznego odkształcania może generować ładunek elektryczny. Sama idea odzyskiwania energii z ruchu nie jest oczywiście nowa. Widzieliśmy już przecież ubrania, podeszwy butów czy implanty wykorzystujące ruch człowieka do zasilania niewielkiej elektroniki.
Tutaj różnica pojawia się jednak poziom głębiej.
Naukowcy umieścili elementy PZT na ultracienkim polimerowym rusztowaniu, a następnie wyhodowali na nim ludzkie komórki mięśnia sercowego. Rosnąca tkanka zaczęła oplatać całą strukturę, tworząc biohybrydę, w której elektronika nie znajduje się już zwyczajnie “obok” komórek. Staje się częścią tego samego układu.
Czytaj też: Oczy i komputer trafiły do pocisku. Zmiana wręcz przerażająca
Kiedy komórki mięśnia sercowego rytmicznie się kurczą, odkształcają piezoelektryczne elementy. Te z kolei zamieniają ruch na energię elektryczną. Nie mamy więc do czynienia z żadnym bezpośrednim wysysaniem energii chemicznej z komórek niczym z biologicznej baterii. Prąd bierze się z ich mechanicznej pracy, ale sam sposób integracji elektroniki z tkanką jest tu znacznie ciekawszy od kolejnego miniaturowego generatora.
Nasze ciało nie działa jak elektronika. Naukowcy chcą to zmienić
Typowy implant elektroniczny nadal jest projektowany trochę jak miniaturowy komputer. Mamy układ wykonujący określoną pracę, przewody lub elektrody i gdzieś obok scentralizowane źródło energii. Tak funkcjonują rozruszniki serca, implantowane defibrylatory, stymulatory mózgu czy implanty ślimakowe, a sam organizm został “zaprojektowany” w toku ewolucji zupełnie inaczej. Nie mamy jednej wielkiej baterii umieszczonej gdzieś pod żebrami i rozprowadzającej energię po całym ciele. Każda komórka zarządza własną energią, a cały system jest ekstremalnie rozproszony. Zespół Juna Yao próbuje przenieść właśnie tę zasadę do elektroniki.
Czytaj też: Tak może wyglądać komputer przyszłości. Nie służy do grania i kosztuje fortunę
Według naukowców ich rozwiązanie osiągnęło ponad rząd wielkości wyższą efektywną gęstość energii względem wcześniejszych bioelektronicznych konstrukcji wykorzystujących bardziej scentralizowany sposób jej pozyskiwania. Nie oznacza to jednak, że właśnie powstała “bateria dziesięć razy lepsza od litowo-jonowej” i dlatego znacznie ciekawsza wydaje mi się możliwość skalowania takiego systemu. Siatka jest na tyle cienka, że kolejne warstwy można teoretycznie układać jedna na drugiej, zwiększając produkowaną moc bez dokładania dużej, sztywnej baterii. W urządzeniu, które kiedyś miałoby znaleźć się wewnątrz organizmu, każdy milimetr objętości robi przecież różnicę.
Do rozrusznika serca bez baterii nadal daleka droga
Nie oznacza to jednak, że za kilka lat pójdziemy do szpitala po rozrusznik zasilany naszym własnym sercem. Obecne doświadczenie przeprowadzone zostało w laboratorium na hodowanych komórkach, a nie wewnątrz ludzkiego organizmu. Nie udało się też naukowcom jeszcze udowodnić wieloletniej stabilności takiego systemu, odporności na warunki panujące wewnątrz ciała ani możliwości zasilania pełnoprawnego implantu.
Czytaj też: Komputery mogą dostać tranzystory grubości atomu. Wyniki już wyprzedzają cele na 2031 rok
Dochodzi do tego problem samego PZT. Tytanian cyrkonianu ołowiu oferuje bardzo dobre właściwości piezoelektryczne, ale jak sama nazwa wskazuje, zawiera ołów. Przy potencjalnym zastosowaniu wewnątrz organizmu wymagałby więc skutecznego i trwałego odizolowania od tkanek lub zastąpienia innym materiałem o podobnych właściwościach.
Badanie trzeba więc traktować przede wszystkim jako demonstrację samej architektury, a nie gotowy produkt medyczny.
Źródła: Science Advances, University of Massachusetts Amherst, Tech Xplore
