Некоторые ученые считают, что в скором времени носимая электроника сможет питаться от мертвых микробов. Новое исследование, проведенное в Университете Массачусетса в Амхерсте, продемонстрировало биопленку, которая вырабатывает электричество из пота, используя для этих целей мертвых бактерий.

Источник питания из биопленки UMass, встроенный в кожный пластырь с датчиком деформации, предназначенным для отслеживания глотательных движений. Liu et al / University of Massachusetts Amherst

Новый эксперимент, опубликованный в журнале Nature Communications, основан на предыдущих исследованиях особого штамма бактерий, известного как Geobacter sulfurreducens. Эта грамотрицательная бактерия, является одним из немногих микробов, способных вырабатывать электричество в определенных условиях. Таким образом, этот микроорганизм является идеальным кандидатом для использования в биопленках, которые могут приклеиваться к коже и собирать полезную энергию для носимой электроники за счет испарения пота.

Однако до сих пор эти микроорганизмы необходимо было поддерживать в живом состоянии, обеспечивая подходящие условия обитания и постоянное питание. Команда из Амхерста обнаружила, что для выработки электроэнергии G. sulfurreducens не нужно быть живым. Более того, по утверждению ученых, мертвые бактерии работает намного эффективнее живых микробов.

Крошечные "природные нанопровода", соединяющие колонии G. sulfurreducens друг с другом. Liu et al / University of Massachusetts Amherst

"Это гораздо эффективнее", - говорит Дерек Лавли, заслуженный профессор микробиологии в UMass Amherst и один из главных авторов статьи. "Мы упростили процесс производства электроэнергии, радикально сократив количество необходимых процессов. Нам удалось устойчиво вырастить клетки в биопленке, а затем использовать это скопление. Это позволило сократить энергозатраты, упростить процесс и расширить возможности применения".

Ученые выращивали колонии G. sulfurreducens в тонких матах толщиной с лист бумаги. В такой среде каждый микроб связан со своими соседями с помощью " природных нанопроводов". С помощью лазера команда вытравила на этих матах небольшие схемы. Их поместили между электродами и заключили в пластырь из мягкого пористого полимера. Далее новое устройство приклеивали к коже, где оно по мере испарения пота вырабатывало электричество.

Массив источников энергии биопленки питает ЖК-дисплей. Liu et al / University of Massachusetts Amherst

Интересно, что такая биопленка работает гораздо лучше, некоторых неорганических генераторов тока на основе испарения. Согласно научной статье, структура биопленки упрощает испарение - исследователи отмечают, что "испарение воды через биопленку происходило даже быстрее, чем с открытой поверхности воды".

"Ограничивающим фактором для носимой электроники всегда был источник питания", - говорит Джун Яо, профессор электротехники и вычислительной техники в UMass . "Батареи разряжаются, их приходится менять или заряжать. Кроме того, они громоздкие, тяжелые и неудобные". По словам команды, эта биопленка производит столько же энергии, сколько батарея сопоставимого размера, ее не нужно подпитывать, за ней не нужно ухаживать, и ее никогда не нужно подключать к розетке и заряжать.

Эксперименты, проведенные в данной работе, показали, что пластырь из биопленки сохранял свою работоспособность в течение как минимум 18 часов и мог питать тензодатчик, измеряющий пульс, дыхание и другие сигналы организма.

Результаты данного проекта размещены в открытом доступе в рецензируемом журнале Nature Communications.

Источники: UMass Amherst,  journal Nature Communications.

1. (https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6)

2. (https://www.umass.edu/news/article/bacteria-powering-truly-green-revolution-personal-electronics)