Akumuliatorius, kuris niekada neišsenka – žmogaus kūnas

Technologijos visada buvo labai glaudžiai susiję su žmogumi. Nuo pat skaldyto titnago peilių, kadaise gelbėjusių mūsų protėvių gyvybes ir teikusių jiems maistą iki šiandieninių išmaniųjų telefonų, kurie mums teikia informaciją ir pramogas. Bet ateityje šis ryšys gali būti dar glaudesnis: kitos kartos elektroniniai įrenginiai gali būti ne tik priglausti prie mūsų kūno ir nuolat laikomi kišenėje – gali būti, kad jie siurbs mūsų kūnų energiją, rašo arstechnica.com.

Energija reikalinga gyvybinių procesų palaikymui. Kad mūsų kūno biologiniai procesai nesustotų, per dieną turime sudeginti nuo 1600 iki 3500 kilokalorijų. O tiek energijos visiškai pakanka ir saikingai naudojamam išmaniajam telefonui. Taigi, jei bent dalį šios energijos būtų galima perduoti telefonui, mūsų kūnai teoriškai galėtų maitinti įvairiausius elektronikos įrenginius – nuo medicininių implantų iki išmaniųjų kontaktinių lęšių be jokių papildomų akumuliatorių. Ir kaip tik visai neseniai mokslininkai atliko svarbių darbų, leidžiančių panaudoti tokį žmogaus energijos potencialą.

Kaip panaudoti žmogaus energijos potencialą?

Pradėti reikėtų nuo to, kad mūsų kūnuose energija saugoma įvairiais pavidalais. Daugelis šių pavidalų yra visiškai netinkami naudoti elektronikos įrenginiuose be tam tikrų cheminių procesų įvykimo. Bet kai kurios formos yra tinkamos. Pavyzdžiui, žinduolių ausyse yra mažutė elektrinė įtampa, vadinama endokochleariniu potencialu (EP). Ausies tuščiaviduriame organe, vadinamame sraige, esantis EP yra svarbus mūsų klausai: jis slėgio bangas (garsą, kuris sklinda aplinka) paverčia elektriniais impulsais (garsu, kurį supranta mūsų smegenys). Ši įtampa yra nykstamai maža – maždaug dešimtoji volto dalis. Tačiau ir pakankamai stipri, kad bent jau teoriškai išmaitintų vienokius ar kitokius klausos aparatus ar implantus.

EP panaudojimas jau nuo seno vertinamas kaip neįsivaizduojamas dalykas, mat vidinė ausis yra labai labai jautri bet kokiems elektriniams svyravimams. Tačiau 2012 metais Masačusetso mokslininkai, derindami chirurgų miklumą ir technologinę pažangą, sugebėjo tai padaryti. Mokslininkai sukūrė „energijos surinkimo lustą“, kurio dydis yra maždaug kaip rankos nago. Jo paskirtis – išgauti elektros energiją tiesiogiai iš EP.

Lustas buvo išbandytas su jūros kiaulyte, jį implantavus į tiriamojo gyvūnėlio vidinę ausį, kur jis generavo pakankamai elektros energijos, kad išmaitintų radijo siųstuvą. Silpnutė lusto sukuriama elektros srovė – maždaug nanovato (milijardinės vato dalies) – yra milijoną kartų per silpna, kad galėtų išmaitinti elektroninį ausies implantą. Tačiau tai yra ir visu nanovatu daugiau, nei pavyko kada nors iki tol. Kitaip tariant, tai buvo labai svarbus koncepcijos teisingumo įrodymas. Ir jeigu ateities prototipuose pavyks padidinti energijos gavybą, tuomet vieną dieną vidinės ausies natūralios įtampos pakaks klausos aparato aprūpinimui elektra. O galbūt netgi pavyks sukurti implantus, padėsiančius gydyti vidinėje ausyje kylančias ligas (pvz., Ménière'o ligą).

Bet štai už sraigės ribų laisvai tekanti elektra (laimei) yra gana retas dalykas. Didžioji dalis biologinės elektros yra užrakinta kitais pavidalais. Ir vienas iš būdų tą energiją atpalaiduoti – perdirbimas.

Kojos ir širdis

Esame sutverti judėti. Jeigu atmestume esminius ląstelių gyvybingumą palaikančius procesus, didžiausią visų mūsų energijos sąnaudų dalį sudarytų raumenų judėjimas: širdies plakimas, kvėpavimas, judėjimas,

Tiems, kas yra mynęs prie elektros generatoriaus prijungti dviračio pedalus, organizmo energijos vertimas elektra nėra naujovė. Bet mokslo ir technologijų pažanga jau nukeliavo į priekį. Per keletą pastarųjų metų mokslininkai, norėdami generuoti elektrą iš žmogaus judesių, pradėjo naudoti unikalią kai kurių medžiagų savybę – pjezoelektriškumą.

Pjezoelektrinės medžiagos spontaniškai generuoja elektros krūvį, kai yra veikiamos fizinės jėgos (graikiškas žodis piezo reiškia spausti, slėgti). Šios medžiagos pramonėje naudojamos jau gana ilgą laiką ir daugybei skirtingų paskirčių. Netgi didelėje dalyje paprastų žiebtuvėlių kibirkštis įskeliama pjezokristalu. Bet tas pačias medžiagas būtų galima panaudoti ir elektros energiją generuojančių audinių gamybai.

Vienas iš pažangiausių tokio tipo audinių 2013 metais buvo sukurtas bendromis JAV ir Kinijos mokslininkų pastangomis – jie sukūrė elastomero pagrindo pjezoelektrinį audinį, kuris gebėjo generuoti elektrą vien iš žmogaus judėjimo kinetinės energijos. Kai savanoris bandytojas tokios medžiagos gabalėlį naudojo kaip batų vidpadį, jam einant buvo generuoja pakankamai elektros energijos, kad būtų įžiebta 30 LED šviestukų. Be to, tokio paties audinio gabalą pritvirtinus prie marškinių ir vėliau juos dirbtinai lankstant vos per kelias valandas pavyko įkrauti ličio jonų akumuliatorių.

Pjezoelektrinių medžiagų potencialo esama ir dar daugiau. Jas jau norima panaudoti energijai iš vidaus organų išgauti. Praėjusiais metais JAV mokslininkai, sėkmingai generavo elektrą iš širdies, plaučių, diafragmos judėjimo, prie minėtų organų pritvirtinę ultra-ploną pjezoelektrinės medžiagos sluoksnį. Tyrimai buvo atlikti su karvėmis ir avimis (prieš eksperimentą gyvūnams buvo sukelta nejautra). Įspūdinga tai, kad implantuota medžiaga generavo apie mikrovatą (milijoninę vato dalį) galios – maždaug tiek, kiek reiškia dirbtiniam širdies ritmo vedliui.

Ir jeigu atrodo, kad vaikščioti – per daug vargo, o leisti mokslininkams savo širdį įvynioti į elektrą generuojantį audinį yra per daug šiurpu, neliūdėkite – jumyse dar ir karšto oro yra. Kuriami ir išmanieji audiniai, kuriuose esančios „termoelektrinės“ medžiagos generuoja elektros krūvį iš temperatūrų skirtumo.

Štai šiais metais Australijos ir Kinijos mokslininkai susintetino pirmą žmonijos istorijoje audinį, gebantį šiluminę energiją paversti elektrine. Kol kas ji dar nebuvo integruota į aprangą, tačiau atliekant bandymus iki žmogaus kūno temperatūros pašildytame kambaryje ši medžiaga generavo elektros srovę. Tiesa, srovės galia buvo vos 1 nanovatas – kur kas mažiau nei sugeba pjezoelektriniai audiniai – tačiau panašiai, kaip EP potencialą išnaudojantis lustas. Nereikia pamiršti, kad tai yra pirmas savo klasės produktas pasaulyje, vadinasi, tobulėjimui erdvės tikrai yra.

Mūsų kūno energijos konvertavimo galimybės gali pasiūlyti iki šiol neprieinamą elektros energijos šaltinį elektroniniams įrenginiams. Tačiau nemenką – ir galbūt netgi didesnį – potencialą turi dar vienas gausus po mūsų oda esantis energijos šaltinis: cheminis kuras, iš kurio deginimo energiją gaminasi ir mūsų organizmai.

Kraujas

Kad organizmas veiktų įprastai, mūsų ląstelėms reikalingas nuolatinis cheminės energijos srautas. Vadinasi, visas mūsų organizmas yra pilnas cheminės energijos šaltinių. Ir jeigu naujausių tyrimų duomenys nenueis vėjais, vidinės žmogaus kuro atsargos netrukus teiks energiją ne tik mūsų ląstelėms.

Turbūt didžiausias šuolis siekiant pažaboti mūsų kūno energiją buvo vykdomas net kelias dešimtis metų – per šį ilgą laiką buvo sukurti nedideli į baterijas panašūs elementai, pavadinti fermentinėmis biokuro celėmis (EFC, enzymatic biofuel cells). Šie maži įrenginukai gali generuoti elektrą skaidydami energijos turinčius biologinius junginius. EFC kūrimo technologijos egzistavo jau daugiau nei dešimtmetį, tačiau tik pastaruosius penkerius metus mokslininkai pradėjo jų bandymus gyvuose organizmuose.

Kalbant apie energijos prisotintus kūno skysčius, vargu ar kas prilygsta kraujui. Kraujo komponentas plazma yra nuolat prisotinamas ištirpinta gkliukoze, pagrindiniu mūsų ląstelių energijos šaltiniu. Didžioji dalis sukurtų EFC taikosi būtent į šias molekules.

Pirmosios EFC, galėjusios išgauti elektros energiją tiesiogiai iš organizmo kraujotakos, buvo sukurtos 2010 metais. Prancūzijos mokslininkai kelių centimetrų ilgio įrenginį implantavo į gyvos pelės pilvą, kur kuro elementas sėkmingai veikė 11 dienų – ir be didelių nepatogumų „pacientui“. Per tą laiką EFC nuolat generavo maždaug du mikrovatus galios – teoriškai kur kas daugiau nei reikia dirbtiniam širdies ritmo vedliui. Iki 2012 metų buvo sukurta ir kur kas galingesnių gliukozės EFC.

Kita Prancūzijos mokslininkų grupė (joje buvo ir 2010 metų mokslininkų grupės narių) sukonstravo patobulintą, anglies nanovamzdelių pagrindo EFC. Jį implantavus į žiurkės pilvą buvo generuojama net maždaug 40 mikrovatų galios, o mokslininkai tą elektrą panaudojo LED šviestukų ir skaitmeninio termometro „maitinimui“.

Kol kas gliukozės EFC žmonių organizmuose nėra išbandyti, tačiau, sprendžiant pagal sėkmingus bandymų su gyvūnais rezultatus (o bandymai buvo atlikti ne tik su žiurkėmis, bet ir su triušiais, omarais ir tarakonais), šios kuro celės vieną dieną tikrai gali pakeisti medicininių implantų įprastines baterijas, tokiu būdu eliminuojant poreikį atlikinėti rizikingas chirurgines operacijas, atliekamas vien norint pakeisti, tarkime, širdies ritmo vedlio baterijas.

Ir nors kraujyje esančios cheminės energijos panaudojimas turi nemažai privalumų, jai būdingas ir vienas rimtas trūkumas: tai yra invazinė procedūra. Kitaip tariant, reikėtų atlikti chirurginę procedūrą. O kad kuro celė būtų pakankamai aprūpinama krauju, paprasto poodinio bakstelėjimo tikrai nepakaks. Ir nors kai kuriems pacientams vienkartinis chirurginis implantas būtų priimtinas sprendimas, su šia procedūra susijusios rizikos ir nepatogumai skatina ieškoti mažiau invazinių būdų išnaudoti organizmo cheminę energiją.

Laimei, galimybių netrūksta. Vienas iš kelių prieiti prie organizmo cheminio kuro šaltinių kūno nežalojant – poros. Žmogaus prakaite gausu junginio vadinamo laktatu, o jį taip pat galima panaudoti elektros generavimui naudojant EFC, pritaikytas kitam kuro šaltiniui. Priėjimas prie prakaito yra kur kas paprastesnis, todėl žmonės prakaito varomas EFC jau yra išbandę ir su žmonėmis. O bandymų rezultatai – labai jau džiuginantys.

Vienas iš pirmųjų įrenginių, gebančių generuoti elektrą iš prakaito, buvo sukurtas 2013 metais – darbą atliko Kalifornijos universiteto San Diege mokslininkai. Jų kuro celė buvo tatuiruotę primenančio lipnaus pleistro pavidalo. Juos priklijavus ant rankų, savanorių grupė 20 minučių intensyviai sportavo. Tiriamiesiems pradėjus prakaituoti, kuro celės pradėjo generuoti elektros srovę. Ir nors srovė buvo pernelyg nepastovi, kad tiktų elektroniniams įrenginiams „maitinti“, to pilnai pakako norint įrodyti technologijos potencialą.

Dar vieno įrodymo sulaukta vėlesniais metais, kai kita to paties universiteto mokslininkų grupė sukūrė dėvimą, audinio pagrindo EFC, kurį buvo galima integruoti į raiščius, apsaugančius nuo prakaito tekėjimo. Savanoriai dėvėjo tokius raiščius mindami dviračio treniruoklio pedalus ir, kaip ir pleistrų atveju, prakaitas generavo elektrą. Tiesa, šį kartą gautos energijos pakako elektronikos įrenginiams – arba LED šviestukui, arba skaitmeniniam laikrodžiui – nors veikimo trukmė ir nebuvo praktiškai naudinga, vos po kelias dešimtis sekundžių.

Matyt, dar teks kurį laiką palūkėti, kol technologijų milžinai pasiūlys mums išmaniuosius laikrodžius, varomus prakaito, tačiau mokslo pažanga pastaraisiais metais yra labai sparti ir tikrai yra pagrindo manyti, kad šis kūno skystis gali būti išnaudotas ir po to, kai jis pašalinamas iš mūsų organizmo. Bet prakaito, kaip ir kraujo, energijos išnaudojimas nėra be trūkumų: didelė žmonių dalis nėra labai linkusi gausiai prakaituoti be rimtos priežasties. Ir jeigu išmanieji galvos raiščiai gali atrodyti kaip perspektyvus būdas įkrauti išmanųjį laikrodį sportavimo metu, bet ilgalaikio cheminio energijos šaltinio, esančio mūsų kūno išorėje, reikia ieškoti kitur. Ir jo pakanka visada. Tereikia pamirksėti.

Ašaros

Iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti, kad ašaros – tai dar nepatikimesnis energijos šaltinis už prakaitą. Tačiau, nepriklausomai nuo mūsų emocinės būsenos, mūsų akys visą laiką yra šiek tiek drėgnos. Akies ragenos drėgmę nuolat dengia „bazalinių“ ašarų plėvelė (kuomet dėl susijaudinimo verkiame, išsiskiria „moralinės“ ašaros). Nors pagrindinė jų paskirtis yra drėkinti ir maitinti akį, bet jose taip pat esama daug energijos.

Be kitų cheminių junginių, bazalinėse ašarose esama gliukozės, laktato ir askorbato (junginio, panašaus į vitaminą C) – bet kuris iš šių junginių yra puikus EFC energijos šaltinis. Vienas iš ašarų naudojimo elektronikos įkrovimui privalumų yra tas, kad jau dabar egzistuoja puiki platforma techninės įrangos išbandymui – kontaktiniai lęšiai. Jeigu į kontaktinį lęšį pavyktų įmontuoti energiją išgauti gebančią kuro celę, tokių lęšių technologinio panaudojimo būdai galėtų sukelti tikrų tikriausią revoliuciją.

Pavyzdžiui, tokie įrenginiai pagal ašarų cheminę sudėtį galėtų stebėti žmogaus gyvybinius rodiklius, dinamiškai koreguotų regėjimą keičiant lęšių židinio nuotolį priklausomai į ten, kur žmogus žiūrėtų. Arba net išvestų į lęšį informaciją tarsi kompiuterio ekrane.

Visi šie galimi pritaikymo būdai galėtų pakeisti žmonių gyvenimus. Bet yra ir dar vienas žmonių vaizduotę itin stipriai kutenantis būdas. „Jau nekalbant apie žaidėjų, galėčiau įsivaizduoti teisėsaugininkus ar karius, kurie kontaktinius lęšius su papildytosios realybės galimybėmis naudotų mokymuose“, – sakė Jutos universiteto (JAV) bioinžinierius Russas Reidas.