Se ha desarrollado un nuevo equipo de suministro de energía humana implantable de introducción de baterías

Según informes de medios extranjeros, los científicos están estudiando actualmente el uso de efectos piezoeléctricos, conversión de energía térmica, efectos electrostáticos y reacciones químicas para convertir energía mecánica, térmica y química en energía eléctrica en el cuerpo humano para alimentar dispositivos portátiles o implantables.

En "Canto el cuerpo eléctrico", el poeta Walter Whitman describe profundamente la "acción y el poder" de "músculos hermosos, peculiares, que respiran y ríen". Más de 150 años después, la científica e ingeniera de materiales del MIT Canan Dagdeviren y sus colegas están dando un nuevo significado al estudio de la poesía de Whitman. Están estudiando un dispositivo que puede generar electricidad basándose en los latidos del corazón de las personas.

Las capacidades electrónicas actuales son tan poderosas que la potencia de cálculo de los teléfonos inteligentes supera con creces la potencia de procesamiento de los equipos tripulados relacionados de la NASA cuando los primeros astronautas fueron enviados a la luna en 1969. Con el tiempo, el rápido desarrollo de la tecnología ha llevado a cada vez más expectativas para dispositivos portátiles o implantables.

El principal inconveniente de la mayoría de los dispositivos portátiles e implantados sigue siendo la duración de la batería, y su capacidad limitada limita su uso a largo plazo. Cuando su marcapasos se queda sin energía, lo que debe hacer es realizar una cirugía para reemplazar la batería. La solución fundamental a este problema puede estar dentro del cuerpo humano, porque el cuerpo es rico en energía química, energía térmica y energía mecánica. Esto ha llevado a los científicos a estudiar repetidamente cómo los dispositivos obtienen energía del cuerpo humano.

Por ejemplo, el movimiento de una persona mientras respira puede producir 0,83 vatios de energía; El calor del cuerpo humano en un estado de calma es de aproximadamente 4.8 Watts; El brazo de una persona se mueve hasta 60 vatios de energía. Un marcapasos necesita solo cinco partes por millón para durar siete años, un audífono necesita solo uno de cada mil vatios para funcionar durante cinco días, y un vatio de energía permite que un teléfono inteligente funcione durante cinco horas.

Ahora Dagdeviren y sus colegas están estudiando cómo utilizar el propio cuerpo humano como fuente de energía del dispositivo. Los investigadores han comenzado a probar dispositivos portátiles o implantables en animales y humanos.

Una de las estrategias de recolección de energía consiste en convertir la energía de la vibración, la presión y otras tensiones mecánicas en energía eléctrica. Este método puede producir los llamados piezoeléctricos, generalmente utilizados para altavoces y micrófonos.

Un material piezoeléctrico de uso común es el titanato de circonato de plomo, pero su alto contenido de plomo es motivo de preocupación porque el plomo es demasiado tóxico para los seres humanos. Dagdeviren dijo: "Pero si desea romper la estructura del plomo, debe calentarlo a 700 grados Celsius o más". Dagdeviren dijo: "Nunca se puede alcanzar esta temperatura en el cuerpo humano".

Hasta ahora, el equipo se ha probado en vacas, ovejas y cerdos porque los corazones de los animales son aproximadamente del mismo tamaño que los corazones humanos. "Cuando estos dispositivos se distorsionan mecánicamente, generan cargas, voltajes y corrientes positivas y negativas, de modo que se pueden recolectar para cargar la batería", explica Dagdeviren. "Puede utilizarlos para ejecutar dispositivos biomédicos como marcapasos. En lugar de realizar un reemplazo quirúrgico cada seis o siete años después de que se agote la batería".

Los científicos también están desarrollando colectores de energía piezoeléctrica portátiles que se pueden usar en las rodillas o en las articulaciones del codo, o en zapatos, pantalones o ropa interior. De esta manera, una persona puede generar electricidad para productos electrónicos cuando camina o se inclina.

Al diseñar un elemento piezoeléctrico, no se necesita el material más eficiente para generar electricidad, lo que parece ser algo contrario a la intuición. Por ejemplo, los materiales utilizados por los científicos pueden tener sólo 2 <UNK> o menos eficiencia de conversión, en lugar de la selección de materiales que puede convertir 5 <UNK> de la energía mecánica en energía eléctrica. Si cambia más, "se puede hacer poniendo más peso en el cuerpo, pero los usuarios ciertamente no quieren cansarse", dice Dagdeviren.

Otro método de recolección de energía es utilizar materiales de conversión termoeléctrica para convertir el calor corporal en energía eléctrica. "Su corazón late más de 40 millones de veces al año", señala Dagdeviren. Toda esta energía se convierte en calor corporal y se disipa, y este es exactamente el tipo de recurso potencial que se puede capturar.

De hecho, existen algunos problemas importantes con la generación de energía térmica humana. Este método de conversión de energía a menudo depende de las diferencias de temperatura, pero la temperatura del cuerpo a menudo mantiene un estado bastante constante, por lo que la diferencia de temperatura dentro del cuerpo no es suficiente para generar mucha electricidad. Sin embargo, si estos dispositivos pueden recolectar la temperatura corporal mientras están expuestos a un ambiente externo relativamente frío, pueden resolver el problema.

Los científicos están explorando plantas de energía térmica para dispositivos portátiles, como relojes. En principio, el calor producido por el cuerpo humano puede generar suficiente electricidad para proporcionar monitores de salud inalámbricos, audífonos artificiales y estimuladores de la corteza cerebral para la enfermedad de Parkinson.

Además, los científicos también intentan alimentar dispositivos mediante el efecto electrostático común. Cuando dos materiales diferentes chocan o se frotan repetidamente entre sí, la superficie de un material puede tomar electrones de la superficie de otro material y acumular cargas. Esto se llama electrificación por fricción. Una ventaja clave de la electrificación por fricción es que casi todos los materiales, incluidos los materiales naturales y los sintéticos, generan electricidad estática, lo que brinda a los investigadores muchas posibilidades para diseñar una variedad de dispositivos.

"Cuanto más estudio la electrificación por fricción, más emocionante se vuelve y es más probable que se utilice", dice Wangzhonglin, un experto en nanotecnología del Instituto de Tecnología de Georgia, coautor del artículo. "Puedo verme trabajando en esta investigación durante los próximos 20 años".

Los diferentes materiales tienen cantidades muy diferentes de electricidad generada por fricción, por lo que los científicos están experimentando con varios materiales. Los investigadores crearon una cuadrícula de cubos similar a un bloque de ciudad microscópico, similar a los nano-cables del bosque de bambú, y una matriz piramidal similar a la Gran Pirámide de Giza. Wang dijo que los materiales no solo "se ven hermosos", sino que cubrir la superficie con una matriz piramidal podría aumentar la generación de energía cinco veces más que una tableta.

Los investigadores han probado marcapasos, monitores cardíacos y otros dispositivos implantables que funcionan con la respiración y los latidos cardíacos rápidos en ratones, conejos y cerdos. "También estamos estudiando la posibilidad de utilizar la electricidad de fricción para estimular el crecimiento celular y acelerar la cicatrización de heridas", dijo Wang. "Además, hemos comenzado experimentos de electricidad de fricción sobre la estimulación nerviosa para ver si podemos hacer alguna contribución a la neurociencia".

Wang y sus colegas también han diseñado dispositivos portátiles para electrificación por fricción. Por ejemplo, han fabricado cintas de fricción que pueden cargar pulseras flexibles con baterías de iones de litio. El dispositivo puede proporcionar energía eléctrica a un medidor de frecuencia cardíaca portátil que utiliza tecnología Bluetooth para transmitir sus datos de forma inalámbrica a teléfonos inteligentes. "La energía mecánica generada por el movimiento diario del cuerpo humano se puede convertir en electricidad a través de nuestro tejido", dijo Wang.

Otra estrategia se basa en un dispositivo llamado dispositivo de celda de biocombustible que produce electricidad a través de una reacción química entre la enzima y las moléculas de almacenamiento de energía en el cuerpo (por ejemplo, glucosa en la sangre) o ácido láctico secretado en el sudor. Por ejemplo, una celulosa hexosa deshidrogenasa extraída de hongos descompone la glucosa y produce electricidad en un tubo de carbono de nanómetros (mil millonésimas de metro).

La elección de la enzima puede ser complicada. Por ejemplo, aunque muchos científicos han descubierto que la glucosa oxidasa puede producir electricidad en las células de biocombustible implantadas en ratones experimentales, la enzima también produce peróxido de hidrógeno (un componente blanqueador común), que puede deteriorar el rendimiento del dispositivo y causar daños al cuerpo. .

En otro estudio, las micrografías electrónicas de barrido mostraron que los nanotubos de carbono utilizados en células experimentales de biocombustibles pueden generar electricidad a partir del cuerpo. Estos tubos de ensayo están recubiertos con enzimas que pueden manejar moléculas de energía natural, como lactatos en el sudor o glucosa en la sangre. Esta herramienta es eléctricamente activa y, al mismo tiempo, proporciona una gran superficie para la reacción enzima-energía, lo que permite generar más electricidad en un cierto volumen.

Los científicos franceses también han creado una celda de biocombustible basada en nanotubos de carbono recubiertos con enzimas, que tiene aproximadamente media cucharadita de tamaño. Cuando se implanta en ratones, puede generar suficiente electricidad para alimentar termómetros LED o digitales al reaccionar con el azúcar en sangre. Los experimentos también han demostrado que las células de biocombustible de tela tejidas en cintas para la cabeza y muñequeras pueden generar suficiente electricidad para alimentar los relojes a través de la reacción química del ácido láctico y las enzimas en el sudor.

Por lo que sabe Dagdeviren, estos dispositivos aún no están disponibles en el mercado. Pero predice que la tecnología se comercializará en menos de una década. En el futuro, los dispositivos de recolección de energía pueden volverse más adecuados para el cuerpo humano. Dagdeviren y sus colegas incluso están trabajando en dispositivos de generación de energía degradables.

"Imagínese", dijo, "insertar un dispositivo en su cuerpo y se degradará en moléculas y se disolverá en fluidos corporales después de un período de trabajo. No tiene que abrir el pecho para extraerlo: podemos usar materiales biodegradables , como los filamentos y el óxido de zinc, que se descomponen con el tiempo ".

La página contiene el contenido de la traducción automática.