Вчені добули електроенергію з внутрішнього вуха

0
191

Вчені вперше змогли використати природну різницю потенціалів у внутрішньому вусі ссавців — біологічну “електричну батарею” — для живлення мініатюрного радіопередавача, що відкриває великі можливості для створення енергонезалежних імплантатів для людини.

Імплантовані пристрої вимагають досить великої кількості енергії. Пацієнтам доводиться або миритися з необхідністю повторних операцій для заміни джерел живлення, або використовувати громіздкі безпровідні джерела енергії. “Місцеві” джерела енергії, такі як тепло тіла і рух м’язів можна використовувати без зовнішніх термо – або п’єзоелектричних пристроїв.

Патрік Мерсьє з Массачусетського технологічного інституту і його колеги вирішили використовувати природне джерело струму в одному з органів внутрішнього вуха ссавців — в равлику.

Цей орган представляє собою заповнену рідиною і згорнуту в спіраль трубку і відповідає за сприйняття звуків. Всередині трубка розділена мембраною, з одного боку знаходиться перилимфа з високою концентрацією іонів натрію, а з іншого — ендолімфа з великим вмістом іонів калію. Між ними створюється різниця потенціалів від 70 до 100 мілівольт, яку і вирішила використовувати група Мерсьє.

Вчені провели серію експериментів на морських свинок (Cavia porcellus) — у цих гризунів анатомія та фізіологія вуха схожа з людської. Виміри показали, що равлик морських свинок генерує струм від 14 до 28 мікроампер з напругою від 30 до 55 мілівольт. Отримана на виході потужність цієї “батарейки” з урахуванням опору електродів та інших обмежень склала від 1,1 до 6,3 нановат.

Така низька сила струму і потужність поставила перед дослідниками дві проблеми. Перша з них полягала в тому, що електроніка на базі транзисторів вимагає для роботи напруга як мінімум сотні мілівольт. Друга полягала в тому, що навіть найбільш енергоефективні електронні схеми вимагають потужності у сотні разів більше.

Вчені вирішили проблему, створивши спеціальну схему, яка запускалася в роботу ззовні, за допомогою бездротового мікрохвильового випромінювача енергії (працює за тим же принципом, що і бездротові зчитувачі для безконтактних карток у турнікетах метро). Антена на мікросхемі брала енергію, схема починала працювати, споживаючи потужність в сотні разів меншу, ніж існуючі досі схеми.

Під час експерименту мікрочіп розміром 9 на 11 міліметрів пропрацював на “вушному” електриці гризуна протягом п’яти годин, передаючи на частоті 2,4 гігагерц дані про напругу в равлику. Дослідники не стали імплантувати сам чіп, але вони відзначають, що пристрій цілком могло б поміститися в порожнину середнього вуха морської свинки. Крім того, автори статті перевірили, як електроди вплинули на слух — як виявилася, слух у гризунів знизився тільки в області близько 23 кілогерц, повідомляє РИА-Новости.