Suze primljene u obitelj zelene tehnologije

18.04.2024

Znanstvenici sa singapurskog tehnološkog sveučilišta Nanyang (NTU Singapur) su razvili savitljivu bateriju, tako kao ljudska rožnica, koja pohranjuje električnu energiju. To im uspijeva, kada je potopljena u fiziološku otopinu. Otkriće bi moglo dovesti do automatskog napajanja pametnih kontaktnih leća.

Pametne kontaktne leće su visokotehnološke kontaktne leće, koje mogu prikazivati vidljive informacije na našim rožnicama te služe i za pristup proširenoj stvarnosti. Trenutačna primjena uključuje posebice pomoć pri popravljanju vida, praćenju zdravlja korisnika te označavanje i liječenje bolesti ljudi s kroničnim bolestima, kao što su šećerna bolest i glaukom. U budućnosti će moći razviti pametne kontaktne leće, koje će bilježiti te prenositi sve vidljivo i slušno u korisnikovu pohranu podataka u oblaku.

A za ostvarivanje tog potencijala potrebno je razviti sigurnu i primjerenu bateriju, koja će napajati takve leće. Postojeće akumulatorske baterije temelje se na žicama ili indukcijskim zavojnicama, koje sadrže metale i neprimjerene su za primjenu u ljudskom oku. Glavne prepreke pri tome su neudobnost i rizik za zdravlje. »Najčešći sustav punjenja baterija za pametne kontaktne leće zahtijeva metalne elektrode u leći, koje su štetne ako su izložene ljudskom oku,« rekao je dr. Yun Jeonghun, istraživački suradnik Fakulteta za elektrotehniku i elektroniku NTU EEE. »Drugi način napajanja leća, indukcijsko punjenje pak zahtijeva da se u leći nalazi zavojnica, koja prenosi energiju, slično kao i bežična pločica za punjenje pametnog telefona. Naša baterija na osnovi suza uklanja oba potencijalna problema, koje predstavljaju ta dva načina punjenja, a istodobno oslobađa prostor za nastavak inovacija pri razvoju pametnih kontaktnih leća,« zaključio je prvi autor studije objavljene u znanstvenom časopisu Nano Energy.

Baterija, koju je razvio tamošnji istraživački tim, izrađena je od biokompatibilnih materijala i ne sadrži žice ili otrovne teške metale, kakvi se nalazi u litij-ionskim baterijama ili sustavima za bežično punjenje. Sadrži premaz na osnovi glukoze, koji reagira s ionima natrija i klorida u fiziološkoj otopini, koja ga obuhvaća. Baterija sadrži vodu i ona služi kao »žica« ili »instalacija« za proizvodnju električne energije.

Izv. prof. dr. Lee Seok Woo s Fakulteta za elektrotehniku i elektroniku na NTU Singapur drži savitljivu bateriju, koja je tanka kao rožnica ljudskog oka.
Foto: NTU Singapur

Suze su energija

»Ovo istraživanje je počelo s jednostavnim pitanjem: bismo li mogli baterije kontaktnih leća puniti s našim suzama?«, pojasnio je voditelj studije dr. Lee Seok Woo. Baterije bi mogle napajati i ljudske suze, jer sadrže ione natrija i kalija, no u nižim koncentracijama. Istraživači su pri ispitivanju trenutačne baterije sa simuliranom otopinom suza pokazali, da bi se životni vijek baterije mogao produljiti za dodatnih sat vremena za svaki dvanaestosatni ciklus nošenja. Bateriju je moguće puniti i uobičajeno s vanjskim napajanjem. »Postojali su slični primjeri samopunjivih baterija, kao što su baterije za nosivu tehnologiju, koje se napajaju ljudskim znojem,« nastavio je izvanredni profesor s NTU EEE. Dodao je, da prethodne tehnike za baterije za leće nisu bile savršene, jer se jedna strana elektrode baterije punila, a druga ne. »Naš pristup može s pomoću jedinstvene kombinacije enzimske reakcije i samoredukcijske reakcije napuniti obje elektrode baterije. Pored mehanizma za punjenje, za proizvodnju električne energije se oslanja samo na glukozu i vodu, koji su u usporedbi s uobičajenim baterijama sigurni za ljude i pri uklanjanju bi bili manje štetni za okoliš.« Tim je svoj izum predstavio sa simuliranim ljudskim okom. Baterija debljine približno 0,5 milimetara, proizvodi električnu energiju kroz reakciju s baznim suzama – stalnim suzama, koje vlaže i hrane naše oči. U tom slučaju stvaraju i tanki film na našim očima. On je ključan na djelovanje uređaja ugrađenih u leće. Prilagodljiva i pločasta baterija predaje električnu energiju postupkom nazvanim redukcija, kada njena glukozno oksidazna prevlaka reagira s ionima natrija i klorida u suzama, te tako stvara energiju i struju u kontaktnim lećama.

Izvanredni profesor na Fakultetu za strojarstvo i svemirsko inženjerstvo NTU dr. Murukeshan Vadakke Matham, koji je specijaliziran za biomedicinsku i nanometarsku optiku, a koji nije sudjelovao u studiji, istaknuo je važnost rada kojeg je obavio istraživački tim: »Kako se ta baterija temelji na glukoznoj oksidazi, koja se prirodno pojavljuje kod ljudi, i napaja se iz iona klorida i natrija, kakvu su u našim suzama, morala bi biti kompatibilna i primjerena za primjenu na ljudima. Pored toga industrija pametnih kontaktnih leća traži tanku, biokompatibilnu bateriju, koja ne sadrži teške metale, a taj izum bi mogao pomoći u daljnjem razvoju, kako bi ispunili neke od neispunjenih potreba industrije.«

Ilustracija načina punjenja baterije, potopljene u fiziološku otopinu i pohranjene u kućištu za kontaktne leće.
Foto: NTU Singapur

Tim je dokazao, da baterija može proizvesti struju jačine 45 mikroampera i najvišu snagu 201 mikrowatta, šti bi bilo dovoljno za napajanje pametne kontaktne leće. Laboratorijski testovi su pokazali, da je moguće bateriju napuniti i isprazniti do 200 puta. Uobičajene litij-ionske baterije imaju životni vijek od 300 do 500 ciklusa punjenja. Znanstvenici s NTU Singapur preporučuju, da se baterija barem za osam sati postavi u odgovarajuću otopinu, koja sadrži mnogo glukoze, ione natrija i kalija, i može se puniti dok korisnik spava. »Iako bežični prijenos energije i superkondenzatori osiguravaju visoku snagu, njihova integracija zbog ograničene količine prostora u objektivu predstavlja veliki izazov,« pojasnila je Li Zongkang, koautorica prvog članka. »S objedinjavanjem baterije i biogorive ćelije u jednu komponentu baterija se može puniti sama, bez da treba dodatni prostor za žične ili bežične komponente. Pored toga elektrode, ugrađenje na unutrašnjoj strani kontaktne leće osiguravaju, da vid očima nije ometan,« zaključila je doktorandica s NTU EEE.

Istraživački tim NTU Singapur će nastaviti s istraživanjima, kako bi poboljšali količinu električne struje, koju baterija može odvoditi. Isto tako će pri potvrdi tehnologije surađivati s više tvrtki, koje se bave kontaktnim lećama.