Naukowcy z Nanyang Technological University w Singapurze (NTU Singapore) opracowali elastyczną baterię cienką jak ludzka rogówka, która po zanurzeniu w roztworze soli magazynuje energię elektryczną i która pewnego dnia będzie mogła zasilać inteligentne soczewki kontaktowe.
Inteligentne soczewki kontaktowe to zaawansowane technologicznie soczewki kontaktowe, które umożliwiają wyświetlanie widocznych informacji na rogówce i umożliwiają dostęp do rzeczywistości rozszerzonej. Obecne zastosowania obejmują pomoc w korygowaniu wzroku, monitorowanie zdrowia użytkowników oraz sygnalizowanie i leczenie chorób u osób cierpiących na przewlekłe schorzenia, takie jak cukrzyca i jaskra. W przyszłości można opracować inteligentne soczewki kontaktowe, które będą rejestrować i przesyłać wszystko, co użytkownik zobaczy i usłyszy, do przechowywania danych w chmurze.
Aby jednak osiągnąć ten przyszły potencjał, należy opracować bezpieczną i odpowiednią baterię do ich zasilania. Istniejące akumulatory opierają się na przewodach lub cewkach indukcyjnych zawierających metal i nie nadają się do stosowania w ludzkim oku, ponieważ są niewygodne i stwarzają ryzyko dla użytkownika.
Bateria opracowana przez NTU jest wykonana z materiałów biokompatybilnych i nie zawiera przewodów ani toksycznych metali ciężkich, takich jak te występujące w akumulatorach litowo-jonowych lub systemach ładowania bezprzewodowego. Posiada powłokę na bazie glukozy, która reaguje z jonami sodu i chloru w otaczającym ją roztworze soli, podczas gdy woda zawarta w akumulatorze służy jako „przewód” lub „obwód” służący do wytwarzania energii elektrycznej.
Bateria mogłaby być również zasilana ludzkimi łzami, ponieważ zawierają one jony sodu i potasu w niższym stężeniu. Testując obecną baterię za pomocą symulowanego roztworu rozrywającego, badacze wykazali, że żywotność baterii zostanie wydłużona o dodatkową godzinę na każde dwunastogodzinne użytkowanie baterii. Akumulator można także ładować konwencjonalnie za pomocą zewnętrznego zasilacza.
Profesor nadzwyczajny Lee Seok Woo ze Szkoły Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej (EEE) NTU, który kierował badaniem, powiedział: „Badania rozpoczęły się od prostego pytania: czy baterie soczewek kontaktowych można naładować naszymi łzami? Były podobne przykłady -ładowanie akumulatorów, np. urządzeń do noszenia, zasilanych ludzkim potem.
„Jednak poprzednie techniki dotyczące akumulatorów do soczewek nie były doskonałe, ponieważ jedna strona elektrody akumulatora była naładowana, a druga nie. Nasze podejście pozwala naładować obie elektrody akumulatora poprzez unikalną kombinację reakcji enzymatycznej i reakcji samoredukcji. Poza tym mechanizm ładowania, do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystuje wyłącznie glukozę i wodę, które są bezpieczne dla ludzi i mniej szkodliwe dla środowiska po utylizacji w porównaniu z konwencjonalnymi bateriami”.
Współpierwsza autorka, dr Yun Jeonghun, pracownik naukowy z EEE przy NTU, powiedziała: „Najpopularniejszy system ładowania baterii inteligentnych soczewek kontaktowych wymaga metalowych elektrod w soczewce, które są szkodliwe w przypadku wystawienia ich na działanie gołym okiem ludzkim. Tymczasem inny tryb zasilania soczewek, ładowanie indukcyjne, wymaga obecności cewki w obiektywie w celu przesyłania mocy, podobnie jak podkładka do bezprzewodowego ładowania smartfona.Nasza bateria oparta na łezce eliminuje dwa potencjalne problemy, jakie stwarzają te dwie metody, jednocześnie zwalniając miejsce za dalsze innowacje w rozwoju inteligentnych soczewek kontaktowych.”
Podkreślając znaczenie pracy wykonanej przez zespół badawczy, profesor nadzwyczajny Szkoły Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej NTU Murukeshan Vadakke Matham, który specjalizuje się w optyce biomedycznej i nanoskali i nie był zaangażowany w badanie, powiedział: „Ponieważ ta bateria jest oparta na glukozie oksydaza, która występuje naturalnie u ludzi i jest zasilana jonami chlorku i sodu, takimi jak te znajdujące się w naszych łzach, powinny być kompatybilne i nadawać się do użytku przez ludzi.Poza tym branża inteligentnych soczewek kontaktowych poszukiwała cienkiej, biokompatybilnej baterii, która nie zawiera metali ciężkich, a niniejszy wynalazek może pomóc w dalszym ich rozwoju, aby zaspokoić niektóre niezaspokojone potrzeby przemysłu.”
Zespół badawczy złożył wniosek o patent za pośrednictwem NTUitive, innowacyjnej i korporacyjnej firmy NTU. Pracują także nad komercjalizacją swojego wynalazku.
Wyniki opublikowano w czerwcu w czasopiśmie naukowym Nano Energy.
Wypłacz mi prąd
Zespół zademonstrował swój wynalazek przy użyciu symulowanego ludzkiego oka. Bateria o grubości około 0,5 milimetra generuje energię elektryczną w reakcji ze łzami podstawnymi – ciągłymi łzami, które tworzą cienką warstwę na gałkach ocznych – aby urządzenia wbudowane w soczewki mogły działać.
Elastyczna i płaska bateria rozładowuje prąd w procesie zwanym redukcją, gdy powłoka z oksydazy glukozowej reaguje z jonami sodu i chloru zawartymi w łzach, wytwarzając energię i prąd w soczewkach kontaktowych.
Zespół wykazał, że bateria może wytwarzać prąd o natężeniu 45 mikroamperów i maksymalnej mocy 201 mikrowatów, co byłoby wystarczające do zasilania inteligentnej soczewki kontaktowej.
Badania laboratoryjne wykazały, że akumulator można ładować i rozładowywać nawet 200 razy. Typowe akumulatory litowo-jonowe mają żywotność od 300 do 500 cykli ładowania.
Zespół zaleca umieszczenie akumulatora na co najmniej osiem godzin w odpowiednim roztworze zawierającym dużą ilość jonów glukozy, sodu i potasu, który będzie ładowany podczas snu.
Współpierwsza autorka, panna Li Zongkang, doktorantka z EEE na NTU, powiedziała: „Chociaż bezprzewodowa transmisja mocy i superkondensatory zapewniają dużą moc, ich integracja stanowi poważne wyzwanie ze względu na ograniczoną ilość miejsca w obiektywie. Łącząc akumulator i biopaliwo ogniwo w jeden element, akumulator może ładować się sam, bez konieczności zapewniania dodatkowej przestrzeni na elementy przewodowe lub bezprzewodowe. Ponadto elektrody umieszczone po zewnętrznej stronie soczewki kontaktowej zapewniają, że widzenie oka nie będzie utrudniane.
Zespół NTU będzie prowadził dalsze badania, aby poprawić ilość prądu elektrycznego, jaki może rozładować akumulator. Będą także współpracować z kilkoma firmami zajmującymi się soczewkami kontaktowymi w celu wdrożenia ich technologii.