Биобатарейка-тату заряжается от пота
На 248-ой конференции Американского химического общества (ACS) ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего представили свое изобретение — миниатюрное устройство в виде временной татуировки, которое может одновременно отслеживать физическое состояние организма во время физических упражнений и вырабатывать электроэнергию из образующегося пота.
В татуировке реализован принцип распознавания и ответной реакции на молочную кислоту (лактат), присутствующую в поте. Чем интенсивнее нагрузки, тем больше лактата вырабатывает организм. Во время напряженной физической активности нам требуется много дополнительной энергии, именно поэтому в нас запускается процесс под названием гликолиз. В ходе этого процесса организм производит энергию и лактат, уровень которого ученые научились определять в крови.
Калифорнийские исследователи придумали удобный, легкий и быстрый способ измерения молочной кислоты во время физических нагрузок. Они напечатали гибкий сенсор определения лактата на бумаге для временной тату. Датчик содержит особый фермент, который отбирает электроны у лактата, генерируя слабый электрический ток.
Испытания сенсора-тату провели на десяти добровольцах, которым прикрепили датчики на плече. В то время, когда испытуемые на протяжении 30 минут крутили педали велотренажера, ученые измеряли вырабатываемый ими электрический ток и непрерывно наблюдали за уровнем лактата в их поту, который менялся в зависимости от интенсивности выполнения упражнения.
Отталкиваясь от результатов этого тестирования, которое подтвердило успешную работу сенсора-тату, ученые на его основе создали биобатарею, работающую от пота. Как известно, батареи вырабатывают энергию при прохождении тока в виде потока электронов от анода к катоду. В данном случае анод содержит фермент, который отбирает электроны у лактата, а катод — молекулу, которая принимает электроны.
Тестирование проводились на пятнадцати добровольцах, которым прикрепили к плечу биобатареи-тату. В то время пока они занимались на велотренажере, ученые замеряли, количество энергии, производимое из пота. Интересно, что мало тренированные люди, которые занимались в зале менее одного раза в неделю, вырабатывали больше энергии, чем те, у кого был средний уровень подготовки с тренировками 1−3 раза в неделю. А настоящие фанаты спортзала, которые занимались больше трех раз в неделю, оказались в отстающих и произвели наименьшее количество энергии.
Ученые считают, что причина подобного феномена кроется в том, что наименее тренированные люди быстрее устают, и процесс гликолиза у них запускается раньше, образуя больше лактата. Наибольшее количество энергии объемом в 70 микроватт на 1 см? кожи выработал испытуемый из самой слабо подготовленной группы.
К сожалению, полученной энергии пока недостаточно для того, чтобы питать хотя бы какие-нибудь электронные устройства, потому что размер электродов, которые использовали ученые, составляет всего 2−3 мм, и они генерируют около 4 микроватт на 1 см? кожи, а этого слишком мало, чтобы произвести достаточно энергию для работы, к примеру, часов, которым требуется минимум 10 микроватт.
Ученые продолжают работу по совершенствованию своего устройства, чтобы добиться его большей мощности и эффективности. Они уверены, что их эпидермальный электрохимический прибор, являющийся одновременно и биосенсором и биобатарейкой, в будущем найдет широкое применение. Ведь биобатареи обладают рядом преимуществ перед традиционными батареями, они быстрее заряжаются, используют возобновляемые источники энергии (в данном случае пот), к тому же они безопаснее, не взрываются и не текут, что исключает попадание токсических веществ в окружающую среду.