¿Sin pilas? ¡Sin sudar! Las células de biocombustible portátiles ahora producen electricidad a partir de lactato
Los dispositivos electrónicos portátiles y los biosensores son excelentes herramientas para el monitoreo de la salud, pero ha sido difícil encontrar fuentes de energía convenientes para ellos. Ahora, un grupo de científicos de Japón ha desarrollado y probado con éxito una matriz de células de biocombustible portátil que genera energía eléctrica a partir del lactato en el sudor del usuario, lo que abre las puertas al control electrónico de la salud impulsado únicamente por fluidos corporales.
No se puede negar que, en las últimas décadas, la miniaturización de dispositivos electrónicos ha dado grandes pasos. Hoy en día, después de los teléfonos inteligentes de bolsillo que podrían avergonzar a las computadoras de escritorio viejas y una gran cantidad de opciones para la conectividad inalámbrica, existe un tipo particular de dispositivo cuyo desarrollo ha avanzado constantemente: los biosensores portátiles. Estos pequeños dispositivos generalmente están diseñados para usarse directamente sobre la piel para medir señales biológicas específicas y, al enviar mediciones de forma inalámbrica a teléfonos inteligentes o computadoras, realizar un seguimiento de la salud del usuario.
Aunque los científicos de materiales han desarrollado muchos tipos de circuitos flexibles y electrodos para dispositivos portátiles, ha sido un desafío encontrar una fuente de alimentación adecuada para biosensores portátiles. Las pilas de botón tradicionales, como las que se utilizan en los relojes de pulsera y las calculadoras de bolsillo, son demasiado gruesas y voluminosas, mientras que las pilas más delgadas plantearían problemas de capacidad e incluso de seguridad. Pero, ¿y si fuéramos las fuentes de energía de los dispositivos portátiles?
Un equipo de científicos dirigido por el profesor asociado Isao Shitanda de la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, está explorando formas eficientes de utilizar el sudor como única fuente de energía para los dispositivos electrónicos portátiles. En su estudio más reciente, publicado en el Journal of Power Sources , presentan un diseño novedoso para una matriz de células de biocombustible que utiliza una sustancia química en el sudor, el lactato, para generar suficiente energía para impulsar un biosensor y dispositivos de comunicación inalámbrica durante un corto período de tiempo. El estudio se llevó a cabo en colaboración con el Dr. Seiya Tsujimura de la Universidad de Tsukuba, el Dr. Tsutomu Mikawa de RIKEN y el Dr. Hiroyuki Matsui de la Universidad de Yamagata, todos en Japón.
Su nueva matriz de células de biocombustible parece un vendaje de papel que se puede usar, por ejemplo, en el brazo o el antebrazo. Consiste esencialmente en un sustrato de papel hidrófugo sobre el que se colocan múltiples células de biocombustible en serie y en paralelo; el número de celdas depende del voltaje de salida y la potencia requerida. En cada celda, las reacciones electroquímicas entre el lactato y una enzima presente en los electrodos producen una corriente eléctrica, que fluye hacia un colector de corriente general hecho de una pasta de carbón conductora.
Esta no es la primera célula de biocombustible basada en lactato, pero algunas diferencias clave hacen que este nuevo diseño se destaque de las células de biocombustible basadas en lactato existentes. Una es el hecho de que todo el dispositivo se puede fabricar mediante serigrafía, una técnica generalmente adecuada para una producción en masa rentable. Esto fue posible gracias a la cuidadosa selección de materiales y un diseño ingenioso. Por ejemplo, mientras que las celdas anteriores similares usaban alambres de plata como caminos conductores, las celdas de biocombustible actuales emplean tinta de carbono porosa. Otra ventaja es la forma en que se administra el lactato a las células. Las capas de papel se utilizan para recolectar el sudor y transportarlo a todas las células simultáneamente a través del efecto capilar, el mismo efecto por el cual el agua viaja rápidamente a través de una servilleta cuando entra en contacto con un charco de agua.
Estas ventajas hacen que los arreglos de celdas de biocombustible exhiban una capacidad sin precedentes para entregar energía a circuitos electrónicos, como comenta el Dr. Shitanda: “ En nuestros experimentos, nuestras celdas de biocombustible basadas en papel podrían generar un voltaje de 3.66 V y una potencia de salida de 4.3 mW. Hasta donde sabemos, este poder es significativamente mayor que el de las células de biocombustible de lactato reportadas anteriormente. ”Para demostrar su aplicabilidad para biosensores portátiles y dispositivos electrónicos en general, el equipo fabricó un biosensor de lactato autoimpulsado que no solo podía alimentarse usando lactato y medir la concentración de lactato en el sudor, sino también comunicar los valores medidos en tiempo real a un teléfono inteligente a través de un dispositivo Bluetooth de bajo consumo.
Como se explica en un estudio anterior también liderado por el Dr. Shitanda , el lactato es un biomarcador importante que refleja la intensidad del ejercicio físico en tiempo real, lo cual es relevante en el entrenamiento de deportistas y pacientes en rehabilitación. Sin embargo, los conjuntos de células de biocombustible propuestos pueden alimentar no solo los biosensores de lactato portátiles, sino también otros tipos de dispositivos electrónicos portátiles. “ Logramos conducir un medidor de actividad disponible comercialmente durante 1,5 horas usando una gota de sudor artificial y nuestras células de biocombustible ”, explica el Dr. Shitanda, “ y esperamos que sean capaces de alimentar todo tipo de dispositivos, como relojes inteligentes y otros artilugios portátiles comunes. ”
Con suerte, con más desarrollos en células de biocombustible portátiles, ¡la alimentación de dispositivos electrónicos portátiles y biosensores no será un problema!
Referencia
Títulos de artículos originales: matriz de células de biocombustible de lactato en papel con alta potencia de salida
Diario: Diario de fuentes de energía
DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2021.229533
Acerca de la Universidad de Ciencias de Tokio
La Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) es una universidad conocida y respetada, y la universidad privada de investigación especializada en ciencias más grande de Japón, con cuatro campus en el centro de Tokio y sus suburbios y en Hokkaido. Establecida en 1881, la universidad ha contribuido continuamente al desarrollo de la ciencia en Japón al inculcar el amor por la ciencia en investigadores, técnicos y educadores.
Con la misión de “Crear ciencia y tecnología para el desarrollo armonioso de la naturaleza, los seres humanos y la sociedad”, TUS ha emprendido una amplia gama de investigaciones desde las ciencias básicas hasta las aplicadas. TUS ha adoptado un enfoque multidisciplinario de la investigación y ha realizado estudios intensivos en algunos de los campos más importantes de la actualidad. TUS es una meritocracia donde se reconoce y se nutre lo mejor de la ciencia. Es la única universidad privada en Japón que ha producido un premio Nobel y la única universidad privada en Asia que ha producido premios Nobel dentro del campo de las ciencias naturales.
Sitio web: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/
Acerca del profesor asociado Isao Shitanda de la Universidad de Ciencias de Tokio
El Dr. Isao Shitanda se graduó de la Universidad de Ciencias de Tokio en 2001 y luego obtuvo un doctorado de la Universidad de Tokio, Japón, en 2006. Desde 2012, ha sido profesor asociado en el Departamento de Química Pura y Aplicada de la Universidad de Ciencias de Tokio. , donde dirige el laboratorio de Itagaki / Shitanda. Se especializa en micro / nanosistemas electroquímicos, química física y analítica, química biorelacionada y química ambiental, entre otros campos. Ha publicado más de 180 artículos y tiene siete patentes.
Información de financiación
Este estudio fue apoyado parcialmente por el número de subvención JST-ASTEP JPMJTS1513, el número de subvención JSPS 17H02162, el proyecto de marca de investigación de universidades privadas (2017-2019) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología y la subvención de la Universidad de Ciencias de Tokio para la Promoción de la Investigación del Presidente.
