domingo, 21 octubre, 2018 10:16 pm
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Una batería flexible inspirada en las anguilas | Ciencia

Los hidrogeles funcionan como las células de una anguila eléctrica.

Una batería flexible fabricada con hidrogeles podría suministrar energía a robots blandos, prótesis e implantes médicos como marcapasos o sensores de glucosa. Investigadores de EE UU y Suiza tomaron inspiración de la anguila eléctrica —que puede defenderse o aturdir a su presa generando hasta 600 voltios de diferencia de potencial— para crear este “órgano artificial”. El prototipo, descrito en la revista Nature, por ahora debe ser cargado con una corriente eléctrica, pero los autores esperan poder aprovechar las concentraciones de sales del cuerpo humano para que no necesite carga externa en el futuro.

La anguila eléctrica (Electrophorus electricus) posee unas células planas llamadas electrocitos que bombean iones cargados al fluido extracelular. En reposo, los electrocitos permanecen en un estado neutro al mantener diferencias de potencial opuestas en cada extremo. Con un impulso nervioso, la anguila activa canales moleculares en un lateral de todos sus electrocitos a la vez, lo cual permite que se inunden repentinamente con iones de sodio cargados positivamente. Cada electrocito produce un voltaje pequeño, pero miles de ellos en serie proporcionan una buena descarga.

Un prototipo de la batería impreso sobre dos láminas de tamaño folio alcanzó 110 voltios

Basándose en este principio, los investigadores diseñaron un prototipo de batería con electrocitos artificiales en la forma de gotas de hidrogeles de poliacrilamida. Sobre una lámina transparente de tamaño folio, una impresora 3D dispone en forma de matriz gotas alternas rellenas de agua salada y de agua dulce. En otra lámina complementaria, se alternan gotas con un gel selectivo de cationes (iones con carga positiva) y otro de aniones (negativos). Al entrar las dos hojas en contacto, los geles selectivos permiten el paso unidireccional de iones desde las gotas de agua salada hacia las de agua dulce, estableciendo una corriente que en pruebas de laboratorio alcanzó los 110 voltios y duró en torno a una hora antes de descargarse por completo.

La batería puede alimentar aparatos eléctricos si se conectan dos cables que actúen como electrodos a cada extremo de la serie de gotas. Aunque en el laboratorio basta con presionar una lámina contra la otra para activar la batería, los autores han ideado una técnica, basada en la papiroflexia, para controlar la descarga y miniaturizar el producto en sus posibles aplicaciones biológicas. Sugieren plegar la estructura siguiendo el doblez de mapa de Miura, un diseño inventado por el astrofísico japonés Koryo Miura que se utiliza para desplegar grandes formaciones de paneles solares en satélites espaciales.


Demostración del pliegue de mapa de Miura en un prototipo de la batería.ampliar foto
Demostración del pliegue de mapa de Miura en un prototipo de la batería.

Si se añaden más gotas de gel en serie, la batería podría alcanzar el mismo voltaje que una anguila, aseguran los científicos. El problema es que, al ser mucho más gruesos que los electrocitos naturales, los geles aumentan la resistencia interna de la batería con respecto al órgano natural, por lo que la potencia final es menor que la de la anguila por varios órdenes de magnitud. “En un futuro, podríamos hacer los geles mucho más finos”, explica el autor Michael Mayer, del instituto de investigación Adolphe Merkle (Universidad de Friburgo) en Suiza, “pero entonces también almacenarán menos energía y se descargarán más rápido. Tiene que haber un punto medio óptimo”.

La versión final ideal sería un aparato que reciba alimentación interna del mismo cuerpo

En el prototipo actual, los investigadores deben conectar los electrodos a una corriente externa para devolver los geles a sus concentraciones iónicas originales cuando se descarga la batería. “La versión final ideal sería un aparato que reciba alimentación interna del mismo cuerpo”, dice Mayer. “Eso sería el santo grial, y por eso se necesitan materiales completamente flexibles y biocompatibles que no produzcan toxicidad”.

La batería no funciona como una pila tradicional, que depende de reacciones de oxidación y reducción para producir energía; en este caso los iones cambian de lugar pero no alteran su composición química, por lo que se podrían aprovechar las concentraciones iónicas naturales del cuerpo, sugieren los autores. Entre las aplicaciones posibles de esta batería del futuro, los científicos barajan implantes médicos inteligentes, como un sensor de glucosa para diabéticos que también alimente una bomba de insulina integrada. Otras propuestas más futuristas incluyen lentillas con pantallas virtuales incorporadas y órganos artificiales prostéticos.


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