Elektrische paling, die langs de modderige bodems van vijvers en beekjes in de Amazone- en Orinoco-rivierbekkens van Zuid-Amerika glijdt, kan een schok veroorzaken die krachtig genoeg is om een paard van zijn voeten te slaan. Hun kracht komt van cellen die elektrocyten worden genoemd en die ontladen wanneer de paling jaagt of zich bedreigd voelt.
Nu halen onderzoekers inspiratie uit deze palingen (geen technische paling eigenlijk, maar een soort vis) om nieuwe energiebronnen te ontwikkelen die ooit elektrische apparaten in het menselijk lichaam zouden kunnen voeden, zoals pacemakers, sensoren en protheses. organen.
Elektrische paling kan het laden en ontladen van duizenden cellen in hun lichaam tegelijkertijd synchroniseren, zegt Max Shtein, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Michigan die aan het onderzoek werkte.
"Als je erover nadenkt om dat heel snel te doen - [in slechts] een fractie van een seconde - voor duizenden cellen tegelijk, is dat een behoorlijk slim bedradingsschema, " zegt hij.
De elektrocyten van een elektrische paling zijn groot en plat, met honderden horizontaal op elkaar gestapeld. Vanwege de manier waarop ze worden gestapeld, vormen de kleine individuele spanningen van de cellen een aanzienlijke kick. Dit is mogelijk omdat het omringende weefsel de elektrocyten isoleert, zodat de spanning naar het water voor de vis stroomt - bedwelming of het doden van prooien of bedreigingen - en vervolgens terugstroomt om een compleet circuit te creëren.
Een team onder leiding van Shtein's medewerker Michael Meyer aan de Universiteit van Fribourg probeerde de fysiologie van de paling te kopiëren door ongeveer 2500 eenheden gemaakt van natrium en chloride opgelost in hydrogels op waterbasis te creëren. Ze drukten rijen kleine, veelkleurige knoppen van hydrogels af op lange vellen plastic, waarbij de zoute hydrogels werden afgewisseld met die gemaakt met alleen water. Ze drukten vervolgens een tweede vel ladingselectieve hydrogels af, waarbij elk een positief geladen natrium of negatief geladen chloridegel liet passeren. Toen de vellen werden gevouwen met behulp van een speciale origamitechniek, raakten de alternerende gels elkaar en wekten ze elektriciteit op. Het systeem genereerde 110 volt - een behoorlijke schok, maar veel minder dan het vermogen van een paling met dunnere cellen met een lagere weerstand.
Ladingselectieve hydrogels bovenop een zoutoplossing (rood) en zoetwater (blauw) hydrogels (Universiteit van Michigan) Het team, waaronder ook onderzoekers van de Universiteit van Fribourg en de Universiteit van Californië, San Diego, schreef vorige maand over hun prototype in het tijdschrift Nature .
Het hydrogel-systeem is zacht en flexibel, waardoor het een potentieel goede krachtbron kan zijn voor robots met een zacht lichaam waarvan de bewegingen worden belemmerd door harde batterijen. Het is ook vrij van de potentieel giftige ingrediënten van traditionele batterijen, zoals lood. En omdat het systeem is gemaakt van kunstmatige componenten in plaats van biologisch weefsel, heeft het een laag potentieel voor immuunafstoting.
De onderzoekers hopen dat ze de kracht van het systeem kunnen vergroten door de hydrogelmembranen dunner te maken. Ze hopen ook het vermogen van de paling na te bootsen om zijn eigen lichaamsvloeistoffen te gebruiken om verschillen in elektrolytconcentratie tussen elektrocyten te handhaven. Dit zou het mogelijk kunnen maken om een geïmplanteerd apparaat permanent van stroom te voorzien zonder externe invoer.
"Het mooie van bio-batterijen voor elektrische paling is dat de principes waarmee ze werken eenvoudig zijn en de geladen deeltjes die bewegen om stroom te genereren, gemakkelijk beschikbaar zijn - in wezen slechts ionen in oplossing zoals in keukenzout - die van nature in ons lichaam voorkomen, " zegt Harold Zakon, een professor in neurowetenschappen aan de Universiteit van Texas in Austin, die elektrische paling bestudeert. "Aangezien elektrische orgelcellen worden opgeladen door ionen over celmembranen te verplaatsen, hoeven ze nooit te worden aangesloten op de muur of een externe voedingsbron, maar zouden ze op de eigen energie van het lichaam vertrouwen om ze opgeladen te houden."
