Впервые ученые добыли из внутреннего уха электроэнергию

Патрик Мерсье из технологического Массачусетского института со своими коллегами решили применить естественный источник тока в улитке млекопитающих - один из органов внутреннего уха.

Данный орган представляет собой свернутую в спираль и заполненную жидкостью трубку, которая отвечает за поступающие звуки. Внутри трубку разделяет мембрана, с одной стороны расположена перилимфа с повышенной плотностью ионов натрия, с другой — эндолимфа с огромным содержанием ионов калия. Разность потенциалов между ними 70-100 милливольт, именно эту разницу и решила использовать команда Мерсье.

Впервые ученые смогли применить естественную разность возможностей во внутреннем ухе — «электрическую» биологическую «батарею» — для питания мизерного радиопередатчика, что в несомненно дарит огромные возможности для изобретения энергонезависимых имплантатов.

Имплантируемый прибор требуют весьма значительного количества энергии. Людям приходится либо прибегать к необходимым повторным операциям, в целях замены источников питания, или же пользоваться беспроводными громоздкими источниками энергии. "Местные" энергетические источники, такие как движение мышц либо тепло тела без внешних пьезо- или термоэлектрических устройств использовать нельзя.

Ученые провели ряд исследований на морских свинках — физиология и анатомия уха у этих грызунов схожа с человеческой. Результаты показали, что улитка грызунов генерирует ток 14-28 микроампер при напряжении 30-55 милливольт. Мощность этой "батарейки" полученная на выходе с учетом некоторых ограничений и сопротивления электродов составила 1,1-6,3 нановатт.

Столь низкая мощность и сила энергии поставила перед учёными две задачи. Одна из них состояла в том, что электроника на основе транзисторов требует напряжение в сотни милливольт для работы. Вторая заключалась в том, что даже наиболее энергоэффективные электронные системы требуют ещё большей мощности.

Исследователи решили проблему, разработав специальную схему, запускающуюся в работу извне, при помощи микроволнового беспроводного излучателя энергии (работа протекает по такому же принципу, что и беспроводные считыватели в турникетах метро для бесконтактных карт). Энергию принимала антенна на микросхеме, затем схема начинала действовать, потребляя в сотни раз меньшую мощность, нежели схемы, существовавшие до сегодняшнего дня.

В ходе эксперимента микроскопически чип проработал в течение пяти часов на "ушном" электричестве грызуна, передавая данные о напряжении в раковине на частоте 2,4 гигагерца. Учёные не стали имплантировать сам чип, однако они считают, что устройство сможет поместиться в полости среднего уха грызуна. Помимо этого, авторы исследования проверили, как на слух повлияли электроды — оказалось, что слух грызунов уменьшился лишь в области 23 килогерц.

В работе говорится - "В будущем способ получения энергии из улитки может использоваться и для людей. Операционная имплантация протезов стремечка или слуховых аппаратов, уже возможна с минимальным риском для остаточного или нормального слуха".

Не смотря на то, что отмечают ученые, что велик риск для слуха при вводе в улитку электродов, в особых случаях, к примеру, при определённых разновидностях глухоты, могут быть велики выгоды от внедрения энергонезависимых устройств.