Гелевая батарея будущего: прорыв, вдохновлённый электрическими рыбами
Исследователи разработали мягкие, гибкие и нетоксичные батареи на основе гидрогеля, которые могут обеспечивать кратковременную подачу энергии для мягкой робототехники нового поколения, имплантируемых биомедицинских устройств и носимой электроники.
Батарейки созданы по образу и подобию электрических рыб, таких как электрический угорь (Electrophorus electricus) и скат-хвостокол (Tetronarce nobiliana). У этих животных есть электрические органы, состоящие из тысяч специализированных клеток, называемых электроцитами, которые расположены последовательно и генерируют электрический потенциал, поддерживая различную концентрацию ионов во внутриклеточной и внеклеточной среде.
«Электrocytes у электрических угрей — это ультратонкие биологические клетки, способные генерировать более 600 вольт электричества за короткий промежуток времени», — говорит Джозеф Наджем, доцент кафедры машиностроения в Университете штата Пенсильвания в США.
«Эти элементы обладают очень высокой удельной мощностью, то есть они могут вырабатывать много энергии при небольших размерах.
«Для применения в биомедицине и смежных областях мы должны убедиться, что аккумуляторы совместимы с окружающей средой, эластичны, безопасны и, в идеале, способны использовать доступные ресурсы для подзарядки.
«Это побудило нас разработать мощные источники питания на основе гидрогеля, которые могли бы эффективно работать в биологической среде».
Наджем и его команда использовали метод центрифугирования для нанесения ультратонких слоёв материала на вращающуюся поверхность, чтобы создать плёнки из четырёх различных гидрогелей толщиной всего 20 микрон.
«В более ранних исследованиях гидрогелям обычно требовалась внешняя опорная конструкция, что делало этот подход непрактичным и приводило к низкой мощности», — говорит Дор Тиллингер, аспирант в области машиностроения в Университете штата Пенсильвания.
«Мы обнаружили, что использование тонкого гидрогеля естественным образом снижает внутреннее сопротивление материала, что позволяет увеличить плотность мощности, которую мы можем выдавать».
Один гидрогель с высокой солёностью (HS) и один гидрогель с низкой солёностью (LS) имитировали внеклеточную и внутриклеточную среду электроцитов соответственно. Катион-селективный (CS) гидрогель обеспечивал транспорт положительно заряженных ионов, а анион-селективный (AS) гидрогель — транспорт отрицательно заряженных ионов.
«Если расположить эти 4 типа гидрогеля в последовательности HS–AS–LS–CS–HS, получится единая конструкция, которая будет создавать градиент ионной концентрации и выдавать напряжение, аналогичное биологическому электроциту», — пишут исследователи в исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science.
«Благодаря химическому веществу глицерину гидрогелевые источники питания сохраняют работоспособность при температуре до 80 °C или -112 °F, не замерзая», — добавляет соавтор исследования Вонбэ Ли, аспирант в области материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания.
Рисунок, демонстрирующий структуру электроцитов у электрических рыб, структуру тонкой гидрогелевой батареи и физические характеристики готовой батареи
a) Генерация напряжения в электроцитах электрических рыб. b) Тонкий источник питания на основе гидрогеля. c) Характеристики гидрогеля. Источник: Tillinger et al 2026, Advanced Science
Устройство достигло мгновенной максимальной плотности мощности в 44 киловатта (кВт) на м3, что, по словам авторов, сопоставимо с показателями электрического угря и является «значительным шагом на пути к функциональной эмуляции этой биологической системы».
«Насколько нам известно, это первый источник питания, полностью заключённый в гидрогелевый раствор и не требующий внешней поддержки, — сказал Наджем.
«Мы не знаем ни одной другой гидрогелевой технологии, которая могла бы обеспечить такую плотность энергии, оставаясь при этом гибкой и экологически безопасной».
Исследователи предполагают, что динамические характеристики быстрой разрядки системы можно использовать наряду с более длительными циклами накопления энергии в приложениях, требующих кратковременных всплесков высокой мощности.
«Такие гибридные стратегии крайне важны в мягкой робототехнике, где для быстрого срабатывания, торможения или подъёма тяжёлых грузов требуются мощные импульсы», — пишут они.
«Помимо робототехники, эти источники питания на основе гидрогеля перспективны для датчиков с прерывистым потреблением энергии, таких как интеллектуальная упаковка для продуктов питания и фармацевтических препаратов, а также для имплантируемых медицинских устройств, требующих подачи энергии импульсами, включая дефибрилляторы и системы необратимой электропорации (IRE) для абляции или доставки лекарств».
В будущем мы сосредоточимся на повышении удельной мощности и эффективности подзарядки, а также на изучении возможностей самозарядки.
Больше на COSMOFACT
Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.
