Носимые электронные устройства и биосенсоры — отличные инструменты для мониторинга здоровья. Эти крошечные устройства обычно предназначены для ношения непосредственно на коже для измерения конкретных биосигналов и, отправляя результаты измерений по беспроводной сети на смартфоны или компьютеры, для отслеживания состояния здоровья пользователя.
Однако для них трудно найти удобные источники питания. Традиционные батарейки «таблетки», такие как используются в наручных часах и карманных калькуляторах, слишком толстые и громоздкие, тогда как более тонкие батарейки имеют проблемы с емкостью и слишком короткий срок работы.
Теперь группа ученых из Токийского научного университета[1] успешно разработала и протестировала носимый массив биотопливных ячеек, который вырабатывает электроэнергию из лактата пота владельца, открывая двери для электронного мониторинга здоровья, работающего только на биологических жидкостях.
Их новый массив биотопливных элементов выглядит как бумажная повязка, которую можно носить, например, на руке или предплечье. По сути, он состоит из водоотталкивающей бумажной основы, на которой последовательно и параллельно выложено несколько биотопливных элементов. В каждой ячейке электрохимические реакции между лактатом и ферментом, присутствующим в электродах, создают электрический ток, который течет к общему токоприемнику, сделанному из проводящей углеродной пасты. Количество ячеек в таком массиве зависит от выходного напряжения и требуемой мощности.
Это не первый биотопливный элемент на основе лактата, но некоторые ключевые отличия выделяют эту новую конструкцию среди других. Во-первых, все устройство может быть изготовлено с помощью трафаретной печати, метода, обычно подходящего для рентабельного массового производства. В похожих разработках ранее использовали серебряные проволоки или пористые углеродные чернила.
Еще одно преимущество — способ доставки лактата в клетки. Слои бумаги используются для сбора пота и его переноса ко всем клеткам одновременно за счет капиллярного эффекта — того же эффекта, благодаря которому вода быстро впитывается в салфетку, которую положили в лужу.
Наконец, мощность новых массивов биотопливных элементов значительно выше, чем у предшественников.
Чтобы продемонстрировать применимость этих элементов питания для носимых биосенсоров и обычных электронных устройств, команда изготовила биосенсор лактата с автоматическим приводом, который может не только питаться от лактата и измерять концентрацию лактата в поте, но и передавать измеренные значения в режиме реального времени на смартфон через Bluetooth. Лактат является важным биомаркером, который отражает интенсивность физических упражнений в режиме реального времени, что актуально при тренировках спортсменов и пациентов, проходящих реабилитацию. Измеритель активности, созданный учеными, смог непрерывно работать в течение 1,5 часов, используя только одну каплю пота.
Использованы фото Shutterstock/FOTODOM UKRAINE
- Isao Shitanda, Yukiya Morigayama, Risa Iwashita, Himeka Goto, Tatsuo Aikawa, Tsutomu Mikawa, Yoshinao Hoshi, Masayuki Itagaki, Hiroyuki Matsui, Shizuo Tokito, Seiya Tsujimura. Paper-based lactate biofuel cell array with high power output. Journal of Power Sources, 2021; 489: 229533 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2021.229533
