Благодаря электрическим угрям ученые создали новый тип батареи

Электрические угри, обитающие на илистом дне прудов и ручьев в бассейнах рек Амазонки и Ориноко в Южной Америке, могут генерировать разряд напряжением до 1300 В и силой тока до 1 A, такой электрический разряд может свалить с ног лошадь.

Обладают они такой возможностью благодаря клеткам, называемыми электродами, которые «разряжаются», когда угорь охотится или чувствует угрозу.

Исследователи черпают вдохновение у этих угрей (точнее, рабочей электрической системы рыбы), чтобы развивать новые источники энергии, которые в один прекрасный день могли бы заряжать электрические устройства в человеческом теле, такие как кардиостимуляторы, датчики и протезы.

Электрические угри могут синхронизировать зарядку и разрядку тысяч клеток в их телах одновременно, говорит Макс Штейн (Max Shtein), научный сотрудник Мичиганского университета, который работал над исследованием.

«Это происходит очень быстро – за доли секунды — для тысяч ячеек одновременно, это довольно умная схема подключения», — говорит он.

Электроциты электрического угря большие и плоские, размещены горизонтально и очень плотно. Из-за того как они расположены, небольшие отдельные напряжения в ячейках производят значительный разряд. Это возможно, потому что окружающая ткань изолирует электроциты, поэтому ток проходит через рыбу, воду, непосредственно к определенной цели – убивает жертву или запугивает врага — затем возвращается обратно, чтобы замкнуть цепь.

Команда во главе с Штейном и Майклом Майером (Michael Meyer) из Университета Фрибурга попыталась скопировать физиологию угря, создав собственную гибкую складывающуюся батарею  из около 2500 рабочих ячеек из натрия и хлорида, растворенных в гидрогеле на водной основе.

Они напечатали ряды крошечных разноцветных ячеек из гидрогелей на длинных листах пластика, чередуя соленые гидрогели с гидрогелем с водой. Затем они напечатали второй лист, где были зарядно-селективные гидрогели, что позволяло «либо заряжать заряженный натрий, либо отрицательно заряженный хлорид, за исключением другого».

Когда листы складывались, используя специальную технику оригами, чередующиеся гели касались и генерировали электричество. Система генерировала 110 вольт – приличное напряжение, но намного меньше выходной мощности угря, у которого более тонкие ячейки с низким сопротивлением.

Гидрогелевая система является мягкой и гибкой, что может стать потенциально хорошим источником питания для мягких устройств, движениям которых препятствуют жесткие батареи. В ней также не содержатся потенциально токсичные ингредиенты традиционных батарей, такие как свинец. И поскольку система изготовлена из искусственных компонентов, а не из биологических тканей, у нее низкий потенциал для иммунного отторжения.

Исследователи надеются, что смогут повысить мощность системы, делая гидрогелевые мембраны более тонкими. Они также надеются найти способ подражать способности угря использовать свои собственные физические жидкости для поддержания разницы концентрации электролита между электродами. Это может привести к постоянной поддержке имплантированного устройства без внешнего входа.

«Красота биоэлементов на примере работы типовой системы электрического угря заключается в том, что принципы, с помощью которых они работают, просты и заряженные частицы, которые движутся для генерации тока, легко доступны — по сути, просто ионы в растворе, например, в столовой соли, то, что происходит естественным образом в наших телах», говорит Гарольд Закон (Harold Zakon), профессор нейробиологии в Техасском университете в Остине, который изучает электрических угрей.

Команда, в которую также вошли исследователи из Университета Фрибурга и Калифорнийского университета в Сан-Диего, в прошлом месяце представила свою работу с прототипом в журнале Nature.