ثورة في عالم الإلكترونيات.. استخدام رطوبة الجسم و”العرق” وتحويلها لطاقة خضراء
تصميم غشاء حيوي قادر على إنتاج كهرباء طويلة الأمد ومستمرة من العرق
علن باحثون في جامعة ماساتشوستس أمهيرست، مؤخرًا أنهم اكتشفوا كيفية هندسة غشاء حيوي يحصد الطاقة في التبخر ويحولها إلى كهرباء. هذا الفيلم الحيوي، الذي تم الإعلان عنه في Nature Communications، لديه القدرة على إحداث ثورة في عالم الإلكترونيات القابلة للارتداء، وتشغيل كل شيء من المستشعرات الطبية الشخصية إلى الإلكترونيات الشخصية.
يقول Xiaomeng Liu ، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة بجامعة UMass Amherst ، والمؤلف الرئيسي للورقة: “هذه تقنية مثيرة للغاية”. “إنها طاقة خضراء حقيقية، وعلى عكس ما يسمى بمصادر” الطاقة الخضراء “الأخرى، فإن إنتاجها أخضر بالكامل.”
هذا لأن هذا الغشاء الحيوي – وهو عبارة عن طبقة رقيقة من الخلايا البكتيرية بسمك ورقة تقريبًا – يتم إنتاجه بشكل طبيعي بواسطة نسخة مُهندَسة من بكتيريا Geobacter sulfurreducens، من المعروف أن G. sulfurreducens من إنتاج الكهرباء وقد تم استخدامه سابقًا في “البطاريات الميكروبية” لتشغيل الأجهزة الكهربائية ، لكن مثل هذه البطاريات تتطلب رعاية G. sulfurreducens بشكل صحيح وإطعامها نظامًا غذائيًا ثابتًا.
على النقيض من ذلك، فإن هذا الغشاء الحيوي الجديد، الذي يمكن أن يوفر قدرًا كبيرًا من الطاقة، إن لم يكن أكثر، من بطارية ذات حجم مماثل، يعمل ويعمل بشكل مستمر، لأنه ميت، ولأنها ماتت، فلا داعي لتغذيتها.
يقول ديريك لوفلي، الأستاذ المتميز في علم الأحياء الدقيقة بجامعة UMass Amherst وأحد كبار مؤلفي الورقة البحثية: “إنها أكثر فاعلية”، مضيفا “لقد قمنا بتبسيط عملية توليد الكهرباء من خلال تقليص كمية المعالجة المطلوبة بشكل جذري، وننمي الخلايا على نحو مستدام في غشاء حيوي، ثم نستخدم هذا التكتل من الخلايا، وهذا يقطع مدخلات الطاقة، ويجعل كل شيء أبسط ويوسع التطبيقات المحتملة.”
السر وراء هذا البيوفيلم الجديد هو أنه يصنع الطاقة من الرطوبة الموجودة على بشرتك، على الرغم من أننا نقرأ يوميًا قصصًا عن الطاقة الشمسية، إلا أن ما لا يقل عن 50% من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تتجه نحو تبخير المياه.
يقول جون ياو، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في UMass، والمؤلف الرئيسي الآخر للورقة: “هذا مصدر ضخم وغير مستغل للطاقة”. نظرًا لأن سطح الجلد رطب باستمرار مع العرق، يمكن للبيوفيلم “توصيل” وتحويل الطاقة المحجوزة في التبخر إلى طاقة كافية لتشغيل الأجهزة الصغيرة.
يقول ياو: “إن العامل المحدد للإلكترونيات القابلة للارتداء كان دائمًا مصدر الطاقة، البطاريات تنفد ويجب تغييرها أو شحنها. كما أنها ضخمة وثقيلة وغير مريحة”، لكن الأغشية الحيوية الرقيقة الشفافة والصغيرة والمرنة التي تنتج إمدادًا مستمرًا وثابتًا من الكهرباء والتي يمكن ارتداؤها، مثل ضمادة الإسعافات الأولية، كلصقة توضع مباشرة على الجلد، تحل كل هذه المشاكل.
ما يجعل كل هذا يعمل هو أن G.phonducens ينمو في مستعمرات تشبه الحصائر الرقيقة، وكل نوع من الميكروبات الفردية يتصل بجيرانه من خلال سلسلة من الأسلاك النانوية الطبيعية، ثم يحصد الفريق هذه الحصائر ويستخدم الليزر لحفر دوائر صغيرة في الأغشية.
بمجرد أن يتم حفر الأفلام، يتم وضعها بين الأقطاب الكهربائية ويتم غلقها أخيرًا في بوليمر ناعم ولزج وقابل للتنفس يمكنك وضعه مباشرة على بشرتك، بمجرد “توصيل” هذه البطارية الصغيرة عن طريق وضعها في جسمك، يمكنها تشغيل الأجهزة الصغيرة.
يقول ياو: “تتمثل خطوتنا التالية في زيادة حجم أفلامنا لتشغيل إلكترونيات أكثر تطوراً يمكن ارتداؤها عن طريق الجلد”، ويشير ليو إلى أن أحد الأهداف هو تشغيل أنظمة إلكترونية كاملة، بدلاً من الأجهزة الفردية.
