Anghilele electrice inspiră noi baterii „jeleu” pentru robotică moale, purtabile

Inspirați de capacitățile de șocuri electrice ale anghilelor electrice, oamenii de știință au dezvoltat o baterie „jeleu” moale, extensibilă, ideală pentru dispozitive portabile sau robotică moale, potrivit unui nou articol publicat în revista Science Advances. Cu teste suplimentare în organismele vii, bateriile ar putea fi chiar utile ca implanturi cerebrale pentru administrarea țintită a medicamentelor pentru a trata epilepsia, printre alte afecțiuni.

La fel de anterior raportat, anghila electrică își produce descărcări electrice caracteristice – atât tensiuni joase, cât și înalte, în funcție de scopul descărcării – prin intermediul a trei perechi de organe abdominale compuse din celule musculare modificate numite electrocite, situate simetric de-a lungul ambelor părți ale anghilei. Creierul trimite un semnal către electrocite, deschizând canalele ionice și inversând pentru scurt timp polaritatea. Diferența de potențial electric generează apoi un curent, la fel ca o baterie cu plăci stivuite.

Biolog și neuroștiință la Universitatea Vanderbilt Kenneth Catania este unul dintre cei mai importanți oameni de știință care studiază anghilele electrice în aceste zile. El a descoperit că creaturile pot variaza gradul de tensiune în descărcările lor electrice, folosind tensiuni mai mici în scopuri de vânătoare și tensiuni mai mari pentru a asoma și ucide prada. Aceste tensiuni mai mari sunt utile și pentru urmărirea potențialelor prade, asemănătoare cu modul în care liliecii folosesc ecolocația. O specie, anghila electrică a lui Volta (Electrofor voltai), poate produce o descărcare de până la 860 volți. Teoretic, dacă 10 astfel de anghile s-ar descărca în același timp, ar putea produce până la 8.600 de volți de electricitate – suficientă pentru a alimenta 100 de becuri.

Imitând Mama Natură

Pentru robotică moale sau aplicații electronice portabile, sunt necesare dispozitive moi și elastice cu proprietăți electronice asemănătoare țesuturilor. Cu toate acestea, „Este dificil să proiectezi un material care este atât extrem de elastic, cât și foarte conductiv, deoarece aceste două proprietăți sunt în mod normal în contradicție una cu cealaltă.” a spus coautorul Stephen O’Neill de la Universitatea din Cambridge. „De obicei, conductivitatea scade atunci când un material este întins.” Așa că el și colegii săi au decis să-și modeleze designul bateriei cu jeleu pe structura stratificată a electrocitelor anghilei electrice. În timp ce electronicele convenționale folosesc materiale rigide cu electroni pentru a transporta sarcinile, această baterie ar folosi ioni ca purtători de sarcină, cum ar fi anghilele electrice.

Hidrogelurile – rețele de polimeri 3D compuse din 60% apă – au fost alegerea evidentă, deoarece conferă capacitatea de a controla cu precizie proprietățile mecanice și pot imita pielea umană. Ele sunt de obicei fabricate din polimeri încărcați neutru, dar O’Neill și colab. a adăugat o încărcare polimerilor lor, modificând componenta de sare pentru a le face suficient de lipicioase pentru a se strânge împreună în mai multe straturi. Acest lucru construiește un potențial energetic mai mare.

Lipiciitatea hidrogelurilor provine din legăturile reversibile care se formează între diferitele straturi, datorită moleculelor în formă de butoi care acționează un pic ca „cătușe moleculare”, potrivit autorii. Așadar, bateriile cu jeleu se pot întinde fără a separa straturile și fără pierderi de conductivitate. În plus, „Putem personaliza proprietățile mecanice ale hidrogelurilor, astfel încât să se potrivească cu țesutul uman.” a spus coautorul Oren Scherman. „Deoarece nu conțin componente rigide, cum ar fi metalul, un implant de hidrogel ar fi mult mai puțin probabil să fie respins de organism sau să provoace acumularea de țesut cicatricial.” Acest lucru le face promițătoare pentru viitoare aplicații biomedicale.

O altă baterie elastică

În cercetările conexe, a hârtie nouă publicat în revista ACS Energy Letters a descris fabricarea unei baterii litiu-ion cu componente extensibile, inclusiv un strat de electrolit care se poate extinde cu 5.000 la sută. Bateria își poate păstra capacitatea de stocare a încărcării după aproape 70 de cicluri de încărcare/descărcare. În loc să folosească un electrolit lichid, o echipă de oameni de știință chinezi a încorporat electrolitul într-un strat de polimer fuzionat între două filme flexibile de electrozi.

Electrozii constau dintr-o peliculă subțire de pastă conductivă încorporată cu nanofire de argint, negru de fum și materiale catodice sau anodice pe bază de litiu pe o placă. Ei au aplicat un strat de polidimetilsiloxan flexibil (utilizat în lentilele de contact) deasupra pastei, urmat de o sare de litiu, lichid foarte conductiv și ingrediente polimerice elastice. Când sunt supuse luminii, toate acele componente au format un strat elastic solid asemănător cauciucului, care putea încă transporta ioni de litiu. Acesta a fost acoperit cu un alt film de electrod, iar întregul dispozitiv a fost apoi sigilat într-un strat protector. Această baterie avea o capacitate medie de încărcare de aproximativ șase ori mai mare la o rată de încărcare rapidă decât un dispozitiv similar cu un electrolit lichid tradițional.

Science Advances, 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adn5142 (Despre DOI).

ACS Energy Letters, 2024. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01254 (Despre DOI).