Biyo-ilhamlı elektrik kaynakları gelecekte giyilebilir veya implant edilebilir elektronik cihazlara güç sağlayabilir, hatta Adolphe Merkle Enstitüsü‘nün Fribourg Üniversitesi‘ndeki BiyoFizik grubunun yeni araştırmasına göre metabolik atıklarla da çalışabilir.
Prof. Mayer liderliğindeki grup, elektrik akımı üretmek için iyon gradyanı olarak bilinen tuz konsantrasyonlarındaki farklılıkları kullanan pillere odaklanırken, aynı zamanda bu tür farklılıkları oluşturmak için sürdürülebilir yöntemler arıyor.
Elektrikli balıkların, avlarını veya karşı cinslerini çekmek için vücutlarında iyon gradyanlarını kullanarak güçlü elektrik deşarjları oluşturabilir. Mayer‘in ekibi daha önce, 800 volta varan güce sahip elektrikli yılan balığından esinlenerek istiflenmiş hidrojeller içindeki iyon gradyanlarından yapay bir elektrikli organ geliştirmiştir ancak, bu güç kaynağının akımı, standart elektronik cihazlara güç sağlamak için çok düşük olduğu tespit edilmiştir.
Bir sonraki adımda araştırmacılar, benzersiz morfolojiye sahip vatoz balığına da benzeyen Atlantik torpido (canlının ait olduğu sınıf: kıkırdaklılar) balığını seçmişlerdir. Bu elektrikli balık 1 kW’ın üzerinde yüksek enerjili darbeler üretebilir.
Mayer ve ekibinin Advanced Materials dergisinde yayınlanan sonuçlara göre; seri ve paralel olarak tuz konsantrasyonundaki farklılıklar ile ince ve büyük jel film yığınlarını oluşturmak, düzenlemek ve yeniden yapılandırmak için hidrojel ile aşılanmış kağıttan hibrit bir malzeme geliştirdiler. Bu malzeme ile elde edilen elektrik gücünün elektrikli yılan (electric-eel) balığından ilham alan tasarımla karşılaştırıldığında 60 kattan daha fazla olduğunu ve elektronik cihazların çalıştırılmasını mümkün kılabileceğini göstermiştir1. Aynı zamanda, bu yararlı ve yumuşak hibrit malzeme taşınabilir boyutlarda tasarlanmıştır.
Nefesten (CO2) elektrik üretimi
Giyilebilir veya implante edilebilir teknolojiler, insanların bilgi alışverişi yaparken, eğlenceyi bir üst seviyeye taşırken ve sağlıklarını anlık izlerken aynı anda günlük aktivitelerinden sürdürülebilir enerji üreten güç kaynaklarının geliştirilmesi araştırmacıların ilgisini çekmeye başlamıştır. Bunun için elektrikli yılan ve torpido balık türlerinin vücutlarındaki metabolik süreçlerden büyük miktarda elektrik deşarjı üretebilme yeteneklerinden ilham almışlardır.
AMI BioPhysics’ten Mayer ve grubu da, kişinin nefes alma esnasında soluduğu karbondioksiti kullanarak, biyo-ilhamlı bir pili şarj edebilmek için kullanılan sürdürülebilir bir süreci araştırmışlardır.
Yapılan araştırmalar, kişinin nefesten bir iyon gradyanı üretip pasif yakıt sağlayarak, bir güç kaynağı üretilebileceğini göstermişlerdir. Bu hipotezin kanıtı olarak, ışık yayan diyot (LED) gibi küçük elektronik cihazlara güç sağlamak için nefesle üretilen bir iyon gradyanından yeterli enerjiyi toplayan prototip bir cihaz geliştirmişlerdir.
Mayer, “Bu çalışma, yeniden şarj edilebilecek giyilebilir veya implante edilebilir bir güç kaynağı geliştirmek için iyon gradyan tabanlı güç üretimi ile birlikte bir metabolik atık ürünü kullanmakla ilgilidir” demiştir2.
Bu güç kaynağının fişe takılması gerekmez ve pasif olarak yeniden şarj edebilmek için kimyasal reaksiyonlar yerine iyon taşınımına dayanan bir pile karşılık gelmektedir. Bu teknolojinin canlı organizmalara entegre olabilmesi için yapıya uyumlu, esnek ve biyolojik bir sistemin içinden enerji çekebilen bir tür güç kaynağı gerektirmektedir. Kendi kendini şarj eden bu güç kaynağı kalp pilleri, sensörler, ilaç dağıtım pompaları veya protezler gibi implante edilebilir cihazlarda kullanılabilir.
Vücut içinde elektrik üretilmesi, en önemli olarak implante edilebilir cihazların ameliyatla değiştirme ihtiyacını da ortadan kaldıracak ve ayrıca entegre ekrana sahip elektriksel olarak aktif kontakt lensler gibi giyilebilir cihazlar için sürekli güç sağlayabilecektir.
Kaynaklar
1– Guha, A., Kalkus, T., Willis, O., & Mayer, M. (2021). Powering Electronic Devices from Salt Gradients in AA Battery-Sized Stacks of Hydrogel-Infused Paper. 2101757. https://doi.org/10.1002/adma.202101757
2– Kalkus, T. J., Guha, A., Scholten, P. B. V., Nagornii, D., Coskun, A., Ianiro, A., & Mayer, M. (2021). The Green Lean Amine Machine: Harvesting Electric Power While Capturing Carbon Dioxide from Breath. Advanced Science, 2100995, 2100995. https://doi.org/10.1002/advs.202100995