L’électronique durable et implantable fait un pas de plus

L'électronique durable et implantable fait un pas de plus

Anatomie de l’organe électrique du rayon Tetronarce nobiliana et conception d’un organe électrique en papier-gel. a) T. nobiliana a un corps plat en forme de disque atteignant 1 m de diamètre. Une paire d’organes électriques est située de chaque côté du corps du rayon. Chaque organe est un arrangement parallèle de colonnes transversales constituées de centaines à des milliers d’électrocytes en série (en médaillon, à gauche). b) Principe de l’organe électrique papier-gel. Des feuilles de papier, infusées d’hydrogel, sont empilées dans une séquence tétramérique répétée pour générer des potentiels additifs (encadré, à droite). L’hydrogel rouge stocke une solution saline concentrée. L’hydrogel vert est sélectif pour la perméation des cations. L’hydrogel bleu contient une solution saline diluée. L’hydrogel jaune est sélectif pour la perméation des anions. Une image de microscopie électronique à balayage (MEB) (en médaillon, à gauche) montre la section transversale d’un seul gel de papier. c) L’empilement de ces cellules à gel tétramères en série et en parallèle met à l’échelle linéairement la tension et le courant, respectivement. Crédit : Université de Fribourg

Les sources d’électricité bio-inspirées pourraient alimenter de l’électronique portable ou implantable à l’avenir, fonctionnant même avec des déchets métaboliques, selon de nouvelles recherches du groupe de biophysique de l’Institut Adolphe Merkle de l’Université de Fribourg.

Le groupe, dirigé par le professeur Michael Mayer, s’est concentré sur les batteries qui utilisent des différences de concentrations de sel, connues sous le nom de gradient ionique, pour produire du courant électrique tout en recherchant des méthodes durables pour générer de telles différences. Une inspiration a été les poissons fortement électriques, qui utilisent des gradients d’ions dans leur corps pour générer des décharges électriques externes étonnantes. L’équipe de Mayer avait précédemment développé un organe électrique artificiel inspiré de l’anguille électrique qui générait de l’électricité à partir de gradients d’ions dans des hydrogels empilés, dépassant 100 volts. Cependant, le courant de cette source d’alimentation était trop faible pour alimenter l’électronique standard. Pour leurs prochaines étapes, les chercheurs ont choisi la morphologie unique de la raie torpille de l’Atlantique comme source d’inspiration. Ce rayon est le poisson électrique le plus puissant connu et peut produire des impulsions de plus de 1 kW.

Ils ont développé un matériau hybride de papier infusé d’hydrogel pour créer, organiser et reconfigurer des piles de films de gel minces et arbitrairement grands avec des différences de concentration en sel en série et en parallèle. Leurs résultats, publiés dans la revue Matériaux avancés, a montré que la puissance électrique récoltée était plus de 60 fois supérieure à celle de la conception originale inspirée de l’anguille, permettant de faire fonctionner des appareils électroniques. Il a également démontré que le mécanisme biologique de génération d’une puissance électrique importante est possible avec des matériaux bénins et mous dans une taille portable.

L'électronique durable et implantable fait un pas de plus

Le dioxyde de carbone de l’haleine réagit avec une solution d’amine pour générer des cations et des anions. Les membranes sélectives de charge ne permettent aux charges positives de diffuser que dans une direction et aux charges négatives de se diffuser dans la direction opposée, générant un potentiel électrique qui peut être utilisé pour alimenter des appareils électroniques. Crédit : Université de Fribourg

Dans une autre étude, le groupe AMI BioPhysics a étudié le développement d’un processus durable qui pourrait être utilisé pour recharger une batterie bio-inspirée, en utilisant comme exemple le dioxyde de carbone expiré par une personne qui respire. Comme l’a révélé la revue Advanced Science, la capacité de générer un gradient d’ions à partir de la respiration montre qu’il existe des moyens réalisables pour un utilisateur de fournir passivement du carburant pour une source d’alimentation. Comme preuve de concept, les chercheurs ont développé un prototype d’appareil qui récupère suffisamment d’énergie à partir d’un gradient d’ions généré par la respiration pour alimenter de petits appareils électroniques, tels qu’une diode électroluminescente.

“Ce travail porte sur l’utilisation d’un déchet métabolique en conjonction avec la production d’énergie à base de gradient ionique pour développer une source d’énergie portable ou implantable qui pourrait potentiellement être rechargée indéfiniment”, explique Mayer. “C’est un pas de plus vers une batterie qui n’a jamais besoin d’être branchée, se recharge passivement, s’appuyant sur le transport d’ions plutôt que sur des réactions chimiques pour y arriver.”

L’intégration continue de la technologie dans les organismes vivants nécessite une certaine forme de source d’énergie biocompatible, flexible et capable de puiser de l’énergie à l’intérieur d’un système biologique. Une source d’alimentation auto-chargeable pour les dispositifs implantables tels que les stimulateurs cardiaques, les capteurs, les pompes d’administration de médicaments ou les prothèses est une application évidente. La génération d’électricité à l’intérieur du corps éliminerait également le besoin d’une chirurgie de remplacement et pourrait également fournir une alimentation continue pour les dispositifs portables tels que les lentilles de contact électriquement actives avec un écran intégré.


L’appareil électrique inspiré de l’anguille atteint 110 volts


Plus d’information:
Anirvan Guha et al, Powering Electronic Devices from Salt Gradients in AA-Battery-Sized Stacks of Hydrogel-Infused Paper, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002/adma.202101757

Trevor J. Kalkus et al, The Green Lean Amine Machine: Harvesting Electric Power While Capturing Carbon Dioxide from Breath, Sciences avancées (2021). DOI : 10.1002 / adv.202100995

Fourni par l’Université de Fribourg

Citation: L’électronique implantable durable fait un pas de plus (2021, 25 juin) récupéré le 25 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-sustainable-implantable-electronics-closer.html

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