باحثون أميركيون يبتكرون بطارية للأجهزة الإلكترونية من البكتريا والعرق

أعلن باحثون في جامعة "ماساتشوستس أمهرست" (University of Massachusetts Amherst) الأميركية مؤخرا عن تمكنهم من تصميم غشاء حيوي من الخلايا البكتيرية (Microbial Biofilm) لديه القدرة على إنتاج كهرباء طويلة الأمد ومستمدة من عرق جسم الإنسان، وذلك لتشغيل الإلكترونيات التي يُمكن ارتداؤها على الجسم أو زرعها فيه أحيانا، وهي تشمل كل الإلكترونيات الشخصية والمستشعرات الطبية.
وبحسب الدراسة التي نشرت نتائجها في دورية "نتشر كومنيكيشنز" (Nature Communications)، فإن هذا الغشاء الحيوي الميكروبي يعتمد في توليده للكهرباء على تبخر العرق من الرطوبة الموجودة على بشرة الإنسان، ويتوقع الباحثون أن تعمل هذه التقنية الجديدة والمثيرة على إحداث ثورة خضراء حقيقية في عالم الإلكترونيات القابلة للارتداء.
تقنية مثيرة للغاية
وبحسب ما ورد في بيان صحفي لجامعة ماساشوستس أمهرست بتاريخ الثاني من غشت الجاري، يقول زياومينج ليو، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب في الجامعة والمؤلف الرئيسي المشارك في الورقة البحثية، "هذه تقنية مثيرة للغاية"، فهي طاقة خضراء حقيقية، على عكس ما تسمى بمصادر" الطاقة الخضراء" الأخرى، لأن إنتاجها أخضر بالكامل.
ويضيف ليو إن "هذا الغشاء الحيوي المبتكر هو عبارة عن طبقة رقيقة من الخلايا البكتيرية بسمك ورقة تقريبا، يتم إنتاجها بشكل طبيعي بواسطة نسخة مصممة هندسيا من بكتيريا جيوباكتر سلفورديوسينس (Geobacter sulfurreducens)، وهي نوع من البكتيريا اللاهوائية التي تأتي من عائلة البكتيريا التي تسمى جوباكتراسي (Geobacteraceae)".
ويضيف بيان الجامعة أن استخدام بكتيريا "جيوباكتر سلفورديوسينس" في إنتاج الكهرباء قد تم سابقا في "البطاريات الميكروبية" (microbial batteries)، واستخدمت في تشغيل الأجهزة الكهربائية، لكن مثل هذه البطاريات تتطلب رعاية تلك البكتريا بشكل صحيح وإطعامها نظاما غذائيا ثابتا، على عكس تقنية الغشاء الحيوي المكتشفة.
وبحسب ما ورد في ملخص الدراسة المنشورة في دورية نتشر كومنيكيشنز: تبدو البكتيريا من جنس "جيوباكتر" (Geobacter) أشبه بحبات فاصولياء دقيقة تنبت منها ذيول طويلة شبيهة بالأسلاك، وقد تبيَّن أن هذه الأسلاك النانوية توصل الكهرباء بالفعل، وقد عكف العلماء على دراسة هذه البكتيريا الموصلة للكهرباء على مدى عقود، على أمل تطوير تكنولوجيا حية يمكنها العمل بأمان داخل الجسم البشري، أو مقاومة التآكل، أو حتى توليد الكهرباء من العدم.
وحول صناعة الغشاء الحيوي وتشعيل الأجهزة الإلكترونية الشخصية، يقول البروفيسور جون ياو، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب والمؤلف الرئيسي الآخر للورقة، إن ما يجعل الغشاء يعمل هو أن بكتريا "جيوباكتر سلفورديوسينس" تنمو في مستعمرات تشبه الحصائر الرقيقة، وكل نوع من الميكروبات الفردية يتصل بجيرانه من خلال سلسلة من الأسلاك النانوية الطبيعية.
يحصد الفريق هذه الحصائر ويستخدم الليزر لحفر دوائر صغيرة في الأغشية، وبمجرد أن يتم حفر تلك الأغشية يتم وضعها بين الأقطاب الكهربائية ويتم غلقها أخيرا في بوليمر ناعم ولزج وقابل للتنفس يمكنك وضعه مباشرة على بشرتك، وبمجرد "توصيل" هذه البطارية الصغيرة عن طريق وضعها في جسمك، يمكنها تشغيل الأجهزة الصغيرة.
مميزات الغشاء الجديد
وكما ورد في البيان الصحفي، فإن ما يميز الغشاء الحيوي الجديد هو قدرته على توفير قدر كبير من الطاقة، إن لم يكن بحجم أكثر من بطارية ذات حجم مماثل، ودون حاجة لتغذية هذه البكتريا، على عكس ما هو في البطاريات الميكروبية الأخرى، يضاف إلى ذلك قدرته على صنع الطاقة من الرطوبة الموجودة على بشرة الإنسان.
وكما يوضح البيان، فإن ما لا يقل عن 50% من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تتجه نحو تبخير المياه. وحول دور هذه الميزة في إنتاج الطاقة من عرق الانسان، يقول جون ياو "هذا مصدر ضخم وغير مستغل للطاقة، فنظرا لأن سطح الجلد رطب باستمرار مع العرق، لهذا يمكن للغشاء الحيوي توصيل وتحويل الطاقة المحجوزة في التبخر إلى طاقة كافية لتشغيل الأجهزة الصغيرة".
ويضيف ياو "لقد كان العامل المحدد للإلكترونيات القابلة للارتداء هو وجود مصدر دائم للطاقة، إذ إن بطاريات هذه الأجهزة عادة ما تنفد ويجب تغييرها أو شحنها، بالإضافة إلى ذلك فهي كبيرة الحجم وثقيلة وغير مريحة، وبالتالي فإن الأغشية الحيوية الرقيقة الشفافة والصغيرة والمرنة التي تنتج إمدادا مستمرا وثابتا من الكهرباء، والتي يتم ارتداؤها مثل ضمادة الإسعافات الأولية، كلصقة توضع مباشرة على الجلد تحل كل هذه المشاكل".
المصدر: الجزيرة.