يجب أن تكون مصادر الطاقة للأجهزة التي تعمل في الأنسجة البيولوجية أو بالقرب منها مرنة وغير سامة، ولكنها قوية بدرجة كافية. لقد ساعدت الطبيعة نفسها المهندسين على إيجاد حلول لهذه المشكلة الصعبة.

طورت جامعة ولاية بنسلفانيا بطارية هيدروجيل تحاكي العمليات الأيونية التي تستخدمها ثعابين البحر لتوليد تفريغات كهربائية. سمح هذا النهج بكثافة طاقة أكبر من نظيراتها المائية الأخرى مع الحفاظ على المرونة والاستقرار البيئي والتوافق الحيوي.

يقول المؤلف المقابل جوزيف نايم من قسم الهندسة الميكانيكية: “الخلايا الكهربائية في ثعبان البحر هي خلايا بيولوجية رقيقة جدًا قادرة على توليد أكثر من 600 فولت من الكهرباء في دفعة قصيرة. إنها توفر كثافة طاقة عالية جدًا، مما يعني أنها يمكن أن تنتج الكثير من الطاقة في حجم صغير”.

قام الباحثون بتجميع مصادر الطاقة الخاصة بهم بالكامل من الهيدروجيل للتأكد من أنها غير سامة ومرنة حتى مع زيادة الطاقة.

“بالنسبة للتطبيقات الطبية الحيوية والمتعلقة بالبيولوجيا، نحتاج إلى التأكد من أن البطاريات متوافقة مع بيئتها، ومرنة وآمنة، وقادرة بشكل مثالي على استخدام موارد الشحن المتاحة. وقد دفعنا هذا إلى تطوير مصادر طاقة قوية تعتمد على الهيدروجيل والتي ستعمل بفعالية في البيئات البيولوجية”، يوضح نعيم.

استخدام التكنولوجيا طلاء تدور (باستخدام طبقات رقيقة جدًا من المواد على سطح دوار)، صنعوا أربعة تركيبات هيدروجيل مختلفة يبلغ سمك كل منها 20 ميكرومترًا فقط – أرق من شعرة الإنسان. يقلل هذا الهيكل الرقيق من المقاومة الداخلية، وهو أمر ضروري للطاقة العالية، مع الحفاظ على القوة الميكانيكية والمرونة.

لجعل الهيدروجيل أرق، كان لا بد من تعديل التركيب الكيميائي. لقد اختبروا عدة خيارات قبل العثور على الخيار الأمثل، كما يقول المؤلف المشارك للمقال لي وونباي من قسم علوم وهندسة المواد.

“كنا بحاجة إلى اختيار تركيبة بحيث يتم توزيع الهيدروجيل بالتساوي أثناء تطبيق الدوران، والحفاظ على الاستقرار الميكانيكي ويكون رقيقًا بما يكفي لمقاومة كهربائية منخفضة. وتطير القطارات التقليدية ببساطة من السطح الدوار. ويؤكد أن مفتاح النجاح كان تحسين اللزوجة والقوة الميكانيكية للهيدروجيل”.

قمنا بتجميع واختبار نموذج أولي عملي. ونشرت نتائج الدراسة في المجلة العلوم المتقدمة.

الصورة: دور تيلينجر / ولاية بنسلفانيا

الجهاز نموذجي: الأقطاب الكهربائية والكهارل بينهما – ولكن المنحل بالكهرباء غير عادي

أظهرت مصادر الطاقة الجديدة كثافة طاقة تبلغ حوالي 44 كيلو واط/م3 – أكبر من نظائرها السابقة من الهيدروجيل، وكافية لتشغيل الأجهزة بكفاءة مثل أجهزة الاستشعار الطبية القابلة للزرع، وأجهزة التحكم الروبوتية الناعمة والأدوات القابلة للارتداء.

ويضيف لي: “بالإضافة إلى ذلك، يسمح تحسين المواد هذا بالعمل في الظروف القاسية. وبفضل إضافة الجلسرين، تظل مصادر الطاقة الهيدروجيلية فعالة عند درجات حرارة تصل إلى -80 درجة مئوية دون تجميد”.

كما تحتفظ المادة بالمياه لفترة أطول من الهلاميات المائية التقليدية. تحافظ التركيبة الجديدة على الترطيب لعدة أيام في الهواء.

واختتم نعيم حديثه قائلاً: “لا نعرف أي تقنيات هيدروجيل أخرى يمكنها تحقيق كثافة الطاقة هذه مع الحفاظ على مرونتها ومرونتها البيئية”.

الصورة: دور تيلينجر / ولاية بنسلفانيا

أ) يجفف محلول هيدروجيل ذو تركيبة كيميائية تقليدية (يسار) في خمسة أيام في الهواء، بينما يظل محلول هيدروجيل معدل (يمين) رطبًا.

ب) يتجمد الهيدروجيل التقليدي (يسار) عند درجات حرارة منخفضة، في حين أن النوع المعدل (يمين) مقاوم للصقيع.

تم إنشاء بطارية سائلة يمكن أن تتخذ أي شكل.