La biología de la anguila eléctrica inspira una potente batería de gel
Un enfoque único para desarrollar baterías no tóxicas para su uso en dispositivos médicos y más
Las fuentes de energía utilizadas en los dispositivos que se encuentran en los tejidos biológicos o alrededor de ellos deben ser flexibles y no tóxicas, pero lo bastante potentes para soportar tecnologías exigentes como los dispositivos médicos o la robótica blanda. Para lograr este equilibrio, los investigadores de Penn State se inspiran en un lugar "impactante": las anguilas eléctricas.
El equipo utilizó un método de fabricación de vanguardia para formar capas de varios tipos de hidrogeles -un material rico en agua capaz de conducir la electricidad- siguiendo un patrón específico que imita los procesos iónicos que utilizan las anguilas eléctricas para generar descargas eléctricas. Su método produce fuentes de energía con densidades de potencia superiores a las de otros diseños basados en hidrogeles, sin dejar de ser flexibles, sin soporte, ambientalmente estables y biológicamente compatibles. Los resultados se publican en Advanced Science.
Según Joseph Najem, profesor adjunto de Ingeniería Mecánica y autor del artículo, los investigadores ya se habían inspirado en la biología de peces eléctricos como las anguilas para desarrollar fuentes de energía blandas. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos inspirados en anguilas producen una potencia limitada y necesitan apoyo mecánico para funcionar. Para resolver estos problemas, el equipo ajustó la química de los materiales para fabricar hidrogeles muy finos, que pueden producir más energía sin necesidad de soportes mecánicos.
"Los electrocitos de las anguilas eléctricas son células biológicas ultrafinas capaces de generar más de 600 voltios de electricidad en una breve ráfaga", explica Najem. "Estas células alcanzan densidades de potencia muy altas, lo que significa que pueden producir mucha energía a partir de volúmenes pequeños".
El equipo construyó sus fuentes de energía únicamente a partir de hidrogel para garantizar que las pilas siguieran siendo no tóxicas y flexibles, incluso a medida que se volvían más potentes.
"Para las aplicaciones biomédicas y casi biomédicas, tenemos que asegurarnos de que las pilas sean compatibles con su entorno, flexibles, seguras e, idealmente, capaces de utilizar los recursos disponibles para recargarse", explica Najem. "Esto nos motivó a desarrollar nuestras potentes fuentes de energía en un sistema basado en hidrogeles, que funcionaría bien dentro de entornos biológicos".
Mediante el recubrimiento por rotación, una técnica que deposita capas ultrafinas de material sobre una superficie giratoria, el equipo superpuso cuatro mezclas distintas de hidrogeles, cada una de ellas de sólo 20 micrómetros de grosor, una fracción de la anchura de un cabello humano. Esta delgada geometría reduce la resistencia interna, esencial para producir alta potencia, al tiempo que preserva la resistencia mecánica y la flexibilidad, explicó Najem.
"En estudios anteriores, los hidrogeles solían requerir estructuras de soporte externas, lo que los hacía poco prácticos y producían poca energía", explica Dor Tillinger, doctorando en ingeniería mecánica y coautor del artículo. "Descubrimos que el uso de hidrogeles finos reducía de forma natural la resistencia interna del material, lo que aumentaba las densidades de potencia que podíamos producir".
Para hacer el hidrogel más fino, el equipo tuvo que ajustar la química. Wonbae Lee, doctorando en ciencia e ingeniería de materiales y coautor del estudio, explicó cómo el equipo probó varios métodos antes de decidir cuál era la mezcla óptima.
"Tuvimos que ajustar cuidadosamente la mezcla química para que el hidrogel se extendiera uniformemente durante el recubrimiento por rotación, permaneciera estable mecánicamente y fuera lo bastante fino para mantener una resistencia eléctrica baja", explicó Lee. "Las fórmulas convencionales saldrían volando de la superficie de hilatura durante el recubrimiento. Optimizar la viscosidad y la resistencia mecánica de nuestro hidrogel era esencial para que este enfoque funcionara."
El equipo utilizó instrumentos del laboratorio de Najem y del Instituto de Investigación de Materiales para recoger mediciones electroquímicas de sus fuentes de energía, como la velocidad de descarga, la densidad de potencia y el potencial conductor. Sus nuevas fuentes de energía mostraron densidades de potencia en torno a 44 kW/m3, superiores a las de las fuentes de energía basadas en hidrogeles de las que se había informado anteriormente, y capaces de alimentar eficazmente dispositivos complejos como sensores médicos implantados, controladores robóticos blandos y dispositivos electrónicos para llevar puestos.
"Además, estas optimizaciones del material permiten su uso en entornos extremos", afirma Lee. "Al incorporar el producto químico glicerol, las fuentes de energía de hidrogel siguen siendo funcionales a temperaturas tan bajas como 80 grados Celsius (C), o -112 grados Fahrenheit (F), sin congelarse".
El material también retiene el agua durante más tiempo que los hidrogeles convencionales. Mientras que los hidrogeles estándar pueden deshidratarse en pocos minutos y perder conductividad, la nueva formulación puede permanecer hidratada durante días en el aire, explicó Najem.
"Que sepamos, ésta es la primera fuente de energía contenida por completo en una solución de hidrogel que no requiere soporte externo", afirma Najem. "No conocemos ninguna otra tecnología de hidrogel que pueda alcanzar estas densidades de potencia sin dejar de ser flexible y ambientalmente estable".
Según Tillinger y Lee, el trabajo futuro se centrará en aumentar aún más la densidad de potencia y la eficiencia de recarga de las fuentes de energía, al tiempo que se exploran las capacidades de autocarga.
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