Pas de piles? Pas de transpiration! Les biopiles portables produisent désormais de l’électricité à partir de lactate
On ne peut nier qu’au cours des dernières décennies, la miniaturisation des appareils électroniques a fait d’énormes progrès. Aujourd’hui, après les smartphones de poche qui pourraient faire honte aux vieux ordinateurs de bureau et à une pléthore d’options pour la connectivité sans fil, il existe un type particulier d’appareil dont le développement ne cesse de progresser: les biocapteurs portables. Ces minuscules appareils sont généralement destinés à être portés directement sur la peau afin de mesurer des signaux biologiques spécifiques et, en envoyant des mesures sans fil à des smartphones ou à des ordinateurs, de suivre l’état de santé de l’utilisateur.
Bien que les scientifiques des matériaux aient développé de nombreux types de circuits flexibles et d’électrodes pour les appareils portables, il a été difficile de trouver une source d’alimentation appropriée pour les biocapteurs portables. Les piles bouton traditionnelles, comme celles utilisées dans les montres-bracelets et les calculatrices de poche, sont trop épaisses et encombrantes, tandis que des piles plus minces poseraient des problèmes de capacité et même de sécurité. Mais que se passerait-il si nous étions nous-mêmes les sources d’énergie des appareils portables?
Une équipe de scientifiques dirigée par le professeur agrégé Isao Shitanda de l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, explore des moyens efficaces d’utiliser la sueur comme seule source d’énergie pour l’électronique portable. Dans leur étude la plus récente, publiée dans le Journal des sources d’énergie, ils présentent une nouvelle conception pour un réseau de piles à biocarburant qui utilise un produit chimique dans la sueur, le lactate, pour générer suffisamment d’énergie pour alimenter un biocapteur et des dispositifs de communication sans fil pendant une courte période. L’étude a été réalisée en collaboration avec le Dr Seiya Tsujimura de l’Université de Tsukuba, le Dr Tsutomu Mikawa de RIKEN et le Dr Hiroyuki Matsui de l’Université de Yamagata, tous au Japon.
Leur nouveau réseau de piles à biocarburant ressemble à un bandage en papier qui peut être porté, par exemple, sur le bras ou l’avant-bras. Il consiste essentiellement en un substrat en papier hydrofuge sur lequel plusieurs biopiles sont disposées en série et en parallèle; le nombre de cellules dépend de la tension de sortie et de la puissance requise. Dans chaque cellule, les réactions électrochimiques entre le lactate et une enzyme présente dans les électrodes produisent un courant électrique, qui s’écoule vers un collecteur de courant général fabriqué à partir d’une pâte de carbone conductrice.
Ce n’est pas la première pile à biocarburant à base de lactate, mais certaines différences clés font que cette nouvelle conception se démarque des piles à biocarburant à base de lactate existantes. L’un est le fait que l’ensemble du dispositif peut être fabriqué par sérigraphie, une technique généralement appropriée pour une production de masse rentable. Cela a été possible grâce à une sélection rigoureuse des matériaux et une disposition ingénieuse. Par exemple, alors que des cellules précédentes similaires utilisaient des fils d’argent comme chemins conducteurs, les présentes piles à biocarburant utilisent une encre de carbone poreuse. Un autre avantage est la manière dont le lactate est délivré aux cellules. Des couches de papier sont utilisées pour collecter la sueur et la transporter vers toutes les cellules simultanément grâce à l’effet capillaire – le même effet par lequel l’eau se déplace rapidement à travers une serviette lorsqu’elle entre en contact avec une flaque d’eau.
Ces avantages font que les batteries de biocarburants présentent une capacité sans précédent à fournir de l’énergie aux circuits électroniques, comme le remarque le Dr Shitanda: «Dans nos expériences, nos biopiles à base de papier pourraient générer une tension de 3,66 V et une puissance de sortie de 4,3 mW. À notre connaissance, cette puissance est significativement plus élevée que celle des biopiles lactate précédemment rapportées. » Pour démontrer leur applicabilité aux biocapteurs portables et aux appareils électroniques généraux, l’équipe a fabriqué un biocapteur de lactate autonome qui pourrait non seulement s’alimenter en utilisant du lactate et mesurer la concentration de lactate dans la sueur, mais également communiquer les valeurs mesurées en temps réel à un smartphone. via un appareil Bluetooth basse consommation.
Comme expliqué dans une étude précédente également dirigée par le Dr Shitanda, le lactate est un biomarqueur important qui reflète l’intensité de l’exercice physique en temps réel, ce qui est pertinent dans l’entraînement des athlètes et des patients en réadaptation. Cependant, les réseaux de biocellules proposés peuvent alimenter non seulement des biocapteurs de lactate portables, mais également d’autres types d’électronique portable. «Nous avons réussi à conduire un compteur d’activité disponible dans le commerce pendant une heure et demie en utilisant une goutte de sueur artificielle et nos biocellules», explique le Dr Shitanda, «et nous pensons qu’ils devraient être capables d’alimenter toutes sortes d’appareils, tels que les montres intelligentes et autres gadgets portables courants. «
Espérons qu’avec de nouveaux développements dans les biopiles portables, alimenter l’électronique portable et les biocapteurs ne se fera pas!
