Baterija koja se nikada ne isprazni. Kako se napaja?

Ljudi su složeni strojevi s pokretnim dijelovima koji iznenađuju na mnogo načina. Znanstvenici su istog mišljenja da je čovjekov potencijal beskonačan. Znanstvenici i razvijatelji tehnologije spremni su koristiti ljudsko tijelo kao beskrajan izvor energije. Ako uspije, riješila bi vječnu zagonetku manjih nosivih uređaja poput pametnih satova, slušalica, medicinskih i sličnih uređaja koji često ostanu bez struje u krivo vrijeme.

Budućnost su uređaji s određenim stupnjem autonomije, uključujući automatsko punjenje baterije. Pitanje je samo odakle crpiti energiju koja je sveprisutna i „beskonačna“? Znanstvenici su došli do zaključka da ljudsko tijelo može biti pogodan izvor energije. Otkriće je došlo u pravo vrijeme, budući da je tržište nosivih uređaja eksplodiralo posljednjih godina.

Takozvana "elektroceutika" suprotstavlja se klasičnoj farmaciji i medicini jer stručnjaci predviđaju da će sve više ljudi ovisiti o nosivim uređajima za praćenje i održavanje zdravlja, poput ugrađenih elektrostimulatora, pacemakera, mjerača krvnog tlaka i otkucaja srca.

"Biobaterije" i proces prikupljanja energije iz vanjskih izvora mogli bi učiniti takve uređaje energetski autonomnima, eliminirajući potrebu za invazivnim intervencijama za zamjenu istrošenih baterija. Ujedno bismo smanjili mogućnost nepravilno ugrađenih uređaja, njihovu infekciju ili neželjene naknadne pomake.

Od početka drugog tisućljeća struka razvija uređaje koje može pokretati ljudsko tijelo. Većih uspjeha do sada nije bilo. Tehnologija ili uređaji jednostavno su bili previše rastrošni za minimalne količine električne energije koje se mogu dobiti kroz prirodne procese ljudskog tijela. Nakon dva desetljeća truda, stručnjaci su ipak uspjeli napraviti veliki iskorak. Zahvala ide i programerima nosivih uređaja koji su u zadnjih 10 godina uspjeli stvoriti uređaje koji troše iznimno malu količinu energije. Time su širom otvorili vrata idejama i prototipovima koji mogu iskoristiti snagu našeg tijela.

Elektrana koju pokreću ćelije

Jednostavno rečeno, stanice mogu biti biokemijske baterije koje slatko gorivo pretvaraju u energiju. Njemački startup Celtro koristi ovaj izvor energije pomoću niza mikroiglica koje mogu izvući male količine energije iz stotina tisuća stanica. Prvi proizvod njemačke tvrtke bit će mali autonomni pacemaker. "Kontrakcija mišića, poput srca, počinje u jednom trenutku, a zatim se širi po srčanom mišiću", kaže izvršni direktor i suosnivač Gerd Teepe. "Naša je ideja bila prikupiti energiju na više točaka kako bismo iskoristili ovo valno djelovanje mišića." Osim skupljanja energije, višenamjenske mikroigle bit će umetnute u srčano tkivo za praćenje srca i pružanje pomoći s električnom stimulacijom za obnovu srčani ritam kada je to potrebno. Godine 2021. Celtro je uspješno prikupio dovoljno sredstava za početak laboratorijskih studija kako bi dokazao održivost koncepta.

Gorivne ćelije od papira

Francuski startup BeFC razvija biobaterije sa zelenim vjerodajnicama. To znači da gorivna ćelija koristi slojeve ugljika, celuloze, glukoze i nekih vlasničkih enzima. Dodavanje tekućine, poput krvi ili urina, pokreće reakciju koja proizvodi elektricitet. Njihov proizvod, u obliku papirnatih zakrpa, mogao bi napajati jednokratne dijagnostičke uređaje i senzore za kontinuirano praćenje stanja, kao što su setovi za praćenje šećera za dijabetičare. Nakon upotrebe, gorivne ćelije mogu se čak i kompostirati, za razliku od drugih minijaturnih baterija koje na kraju završe na odlagalištima. BeFC je trenutno u fazi prikupljanja sredstava. Očekuju da će na tržište sa svojim proizvodima izaći 2024. godine.

Pacemaker s piezoelektričnim sakupljačem energije

CAIRDAC sa sjedištem u Parizu razvija pacemaker koji pokreće srce pacijenta. Bezvodni pacemaker upakiran je u kapsulu koja sadrži piezoelektrični skupljač energije – njihalo koje oscilira kroz otkucaje srca, protok krvi i vibracije. Oscilacije se pretvaraju u električnu energiju i pohranjuju sve dok uređaj ne otkrije da je srcu potreban šok kako bi se ponovno uspostavio ritam. Startup tvrtka nedavno je prikupila 17 milijuna eura za nastavak pretkliničkih testiranja i prelazak na ispitivanja na ljudima.

Napajanje senzora i implantata solarnom energijom?

Solarni paneli su se u posljednje dvije godine proširili na mnoge krovove kućanstava. I u Sloveniji se u jednom trenutku dugo čekalo za izgradnju samostalne solarne elektrane. Istraživači sa Sveučilišta Monash u Melbourneu otkrili su da solarna ploča postavljena ispod kože može proizvesti do 10 % energije solarne ploče na izravnoj sunčevoj svjetlosti. To je dovoljno za napajanje uređaja s iznimno malom potrošnjom. Nekoliko sati solarne energije bilo bi dovoljno za 24-satni rad temperaturnog senzora koji se može ugraditi u ljudsko tijelo. Prema istraživačima, optimalno mjesto za implantaciju solarne ploče je između vrata i ramena.

Hidroelektrično srce

Mini turbine mogle bi iskoristiti protok krvi i pretvoriti ga u električnu energiju, barem tako otkriva Sveučilište u Bernu. Tamošnji istraživači dizajnirali su turbinu u obliku torpeda koja se može ugraditi u krvnu žilu u srcu, stvarajući način za generiranje električne energije kroz protok krvi, slično kao što radi hidroelektrana. Glavni izazov s kojim se aktivno bore je kako izbjeći stvaranje krvnih ugrušaka na lopaticama turbine. U laboratorijskim testovima, njihova je turbina uspjela generirati dovoljno energije za napajanje komercijalno dostupnih bezvodnih srčanih stimulatora.

Piezoelektrični flaster

Talijanski startup PiezoSkin tvrdi da je razvio ultratanak piezoelektrični flaster za kožu koji može istovremeno mjeriti ljudske pokrete i izvlačiti energiju iz njih. U jednoj studiji, flaster je korišten za praćenje pokreta vrata kod osoba s disfagijom (otežano gutanje), ali se također može koristiti za praćenje i crpljenje snage kroz druge pokrete tijela i vibracije. Slično drugim prototipovima, zakrpe PiezoSkin mogle bi generirati dovoljno energije za napajanje manjih uređaja.

Opskrba toplinom?

Ljudsko tijelo emitira prosječno 100 vata toplinske energije dnevno, što bi, prema tvrdnjama švicarske tvrtke Mithras, moglo biti dovoljno za napajanje nosivih biosenzora i implantata. Njihovi termoelektrični izvori energije, poznati kao TEG, proizvode električnu energiju iskorištavanjem temperaturne razlike između tijela i okoline. Tvrtka procjenjuje da bi njihov TEG skin patch s temperaturnom razlikom od 5 stupnjeva Celzijusa mogao u potpunosti napajati kohlearni implantat.