Ny strømkilde er inspireret af elektriske ål
I fremtiden kan elektroniske implantater og bløde robotter måske drives af fleksible og ufarlige batterier, der efterligner den elektriske åls måde at frembringe strøm.
Ål-batteri

Forskerne brugte en bioprinter til at anbringe små dråber af forskellige opløsninger på et stykke plastic. Dråberne blev forvandlet til gel, da de blev udsat for ultraviolet lys. (Foto: T. Schroeder & A. Guha)

Elektriske ål svømmer rundt med naturlige kraftværker, der kan frembringe voldsomme elektriske stød på mere end 600 volt.

Det ville være smart, hvis vi mennesker også kunne få elektriske organer som ålens. Så kunne de drive elektronikken i sensorer, der kunne overvåge vores helbred eller på længere sigt levere strøm til avancerede proteser som for eksempel kunstige, højteknologiske hænder.

Hvis man kunne fremstille strømkilder, der virker på samme måde som ålens, kunne de også bruges i bløde, fleksible robotter.

Historien kort
  • En ny strømkilde fungerer efter samme principper som det elektriske organ hos elektriske ål.
  • Det kunstige el-organ er blødt og fleksibelt, og det vil måske kunne bruges til at levere energi til implantater og til bløde robotter.
  • Indtil videre leverer strømkilden dog ikke ret meget strøm, og den kan ikke genoplade sig selv, som det sker i ålen. 

Så det er ikke underligt, at forskere fra USA og Schweiz nu har ladet sig inspirere af det fantastiske kraftværk, evolutionen har frembragt hos den elektriske ål.

»Det er ekstremt relevant forskning i forhold til bløde robotter. Her er det netop en udfordring, at vi skal erstatte de hårde komponenter, vi normalt bruger til elektronik, med nogle bløde komponenter. Og det gælder ikke mindst batterier,« siger ph.d.-studerende Jonas Jørgensen, der forsker i bløde robotter på IT-Universitet i København.

Først til sensorer

I en artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature beskriver forskerne, hvordan de har fremstillet et blødt, fleksibelt og gennemsigtigt elektrisk organ af materialer, man kan forestille sig implanteret i kroppen.

»I første omgang kan vores teknologi måske bruges i implanterede sensorer, der overvåger vores helbred – sensorer med meget lavt strømforbrug,« skriver Michael Mayer fra universitet i Fribourg i Schweiz i en mail til Videnskab.dk. Han er professor i biofysik og stod i spidsen for forskerholdet bag opfindelsen.

»Senere kunne man kombinere sensorerne med små pumper, der for eksempel kunne levere insulin og regulere blodsukkeret hos diabetikere.«

Elektriske gelklatter

De forbundne gel-klatter er farvet med frugtfarve for at vise princippet – de kunne lige så godt være gennemsigtige. (Foto: T. Schroeder & A. Guha)

Gel-klatter leverer strømmen

Strømkilden er ret simpelt opbygget af små geléagtige klatter på ark af plast. Forskerne bruger fire af disse såkaldte hydrogeler, som adskiller sig fra hinanden ved at have forskellige elektriske ladninger og forskelligt indhold af almindeligt køkkensalt.

Når klatterne kommer i kontakt med hinanden, begynder elektrisk ladede atomer – ioner – til at røre på sig. Når det sker, opbygges der en spændingsforskel, som kan drive en elektrisk strøm. Hos ålen sker noget lignende i særlige celler kaldet elektrocytter.

Ved at serieforbinde 2.449 gel-klatter har forskerne demonstreret en spændingsforskel på 110 volt.

Forskerne har også eksperimenteret med forskellige måder at bringe klatterne i nærkontakt. For eksempel har de brugt en sammenfoldningsmetode, der er udviklet til at folde satellitters solpaneler.

Bløde og ufarlige

Så kan man spørge, hvad det smarte ved sådan et 'batteri' er, når nu der i forvejen findes lithium-ion-batterier, der nu også kan fås ganske tynde og fleksible. Til det svarer professor Mayer:

Ionvandring mellem gelklatter

Når de forskellige gel-klatter kommer i kontakt med hinanden, kan ioner vandre og skabe en spændingsforskel. (Illustration: Schroeder et al./Nature)

»Vores strømkilde kan fremstilles af ufarlige hydrogel-materialer og saltopløsninger. Der er ikke brug for brandfarlige eller giftige metaller. Desuden er den gennemsigtig, blød, smidig og formbar.«

Han medgiver dog, at det er en udfordring, at den ål-inspirerede strømkilde ikke kan rumme nær så meget energi som et almindeligt batteri:

»Når det gælder energitæthed, er det vigtigt at erkende, at vores kunstige elektriske organ ikke er nær så kraftfuldt som lithium-batterier.«

Ålen er langt foran

Når det kommer til effekten – hvor mange watt, der kan leveres – er forskerne også langt bagefter ålen. Hvor ålen kan producere 13,6 watt pr. kvadratmeter, kan gel-cellerne indtil videre kun producere 0,027 watt pr. kvadratmeter.

»I forhold til antallet af watt, der kan leveres, kan den kunstige strømkilde kun klare to promille af det, en elektrisk ål kan. Der er langt igen, før vi kan bruge teknologien i robotter i den virkelige verden, men det er en spændende vej at gå,« siger Jonas Jørgensen.

Sammenfoldning af gel-klatterne

Forskerne har forsøgt at folde ark med gel-klatter sammen, så energitætheden bliver så høj som mulig. (Foto: T. Schroeder & A. Guha)

Ålen er også foran, når det kommer til genbrug. Dens 'batteri' bliver nemlig stille og roligt genopladet efter en udladning, og det sker helt af sig selv i ålens krop.

Den kunstige strømkilde kan også genoplades, men så skal den tilsluttes en anden strømkilde, ligesom når man genoplader et batteri. Det smarte ville være, hvis strømkilden kunne genoplade sig selv med energi fra kroppen selv – hvis den kunne tappe kemisk energi fra os og forvandle den til elektrisk energi.

Meget skal gøres endnu

»Vi er klar over, at vi stadig mangler at finde ud af, hvordan strømkilden kan blive genopladet i kroppen, og vi skal sørge for, at den er sikker at implantere. Der er stadig masser, der skal gøres,« skriver Michael Mayer.

»Ålen viser os, at en levende organisme sikkert kan frembringe betydelige elektriske strømme indefra. Vi har ikke gjort alt det, en ål kan gøre, men vi har demonstreret adskillige skridt hen imod virkeliggørelsen af denne fantastiske fremtidsvision.«

Forskerholdet fortsætter arbejdet med at udvikle strømkilder, der minder om den elektriske åls. I den forbindelse skal vi hilse og sige, at professor Mayer godt kunne bruge nogle flere talentfulde ph.d.-studerende og postdocs til laboratoriet i Schweiz.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud