Электронная татуировка будет питаться от человеческого пота

Ряды носимых биомедицинских датчиков пополнились новой разработкой инженеров из Калифорнийского университета Сан-Диего: небольшая электронная татуировка крепится к телу человека и следит за состоянием его здоровья во время физических тренировок. Питаться устройство будет от человеческого пота, который с избытком выделяется при нагрузках средней и высокой интенсивности.

Учёные описали свою разработку в докладе, который прочитали на 248-м ежегодном собрании Американского химического сообщества. Принцип работы устройства основан на определении и реакции датчиков на молочную кислоту — вещество, присутствующее в составе пота.

"Уровень лактата может многое рассказать о состоянии организма во время физической нагрузки", — поясняет ведущий автор исследования Вэньчжао Цзя (Wenzhao Jia).

Чем интенсивнее тренировка, тем больше вырабатывается молочной кислоты. Во время напряжённой физической активности тело должно генерировать больше энергии, поэтому активизируется процесс, называемый гликолизом. В ходе него производится энергия и выделяется лактат, который можно обнаружить в крови.

Проблема заключается в том, что для слежения за уровнем физической активности количество молочной кислоты в крови необходимо анализировать довольно часто во время разных физических нагрузок. А сбор образцов и их анализ занимает много времени и усилий.

Поэтому Цзя и её коллеги разработали максимально удобный способ измерения содержания лактата во время физических упражнений. Они вживили небольшой гибкий датчик в растягивающуюся плёнку, которую можно прикрепить к коже как временную татуировку. Датчик содержит фермент, который вылавливает электроны из лактата, генерируя слабый электрический ток.

Для тестирования технологии исследователи пригласили к себе в лабораторию 10 здоровых добровольцев и прикрепили к их коже новоизобретённые датчики. В ходе эксперимента учёные измеряли электрический ток, который производило устройство во время физической тренировки испытуемых — те крутили педали велотренажёра на протяжении получаса с постепенным повышением уровня сопротивления. Таким образом, исследователи смогли непрерывно контролировать уровни лактата в поте с течением времени и при изменении интенсивности упражнений.

Позднее Цзя и её команда решили превратить пот в источник питания биоаккумулятора. Батареи производят энергию при прохождении тока в виде электронов от анода к катоду. В данном случае анод содержал фермент, который извлекал электроны из лактата, а катод содержал молекулу, которая принимала электроны.

Пятнадцать волонтёров, которые тренировались на велотренажёре с татуировкой на теле, производили различные объемы электроэнергии. Интересно, что те, кто тренировался в среднем менее одного раза в неделю, производили больше энергии, чем те, кто подвергался физическим нагрузкам от одного до трёх раз в неделю. Меньше всего энергии производили те, кто предпочитает едва ли не ежедневные занятия спортом.

Максимальная производительность, зафиксированная среди добровольцев из "неспортивной" группы, составила 70 микроватт на квадратный сантиметр кожи.

"Это не так уж и много в обычном понимании, но мы уже работаем над повышением потенциала устройства. В конечном итоге мы должны довести технологию до такого уровня, чтобы пот мог питать небольшие электронные устройства. Прямо сейчас мы можем получить максимум 70 микроватт на квадратный сантиметр, но наши электроды имеют только 2-3 миллиметра в ширину и генерируют около 4 микроватт. Для питания, к примеру, часов, требуется, как минимум 10 микроватт", — поясняет Цзя.

В будущем учёным также предстоит решить проблему хранения энергии и разумного его расхода. Однако их биоаккумулятор уже обладает большими преимуществами перед аналогами: он биологически совместим, не выделяет токсичных веществ и использует возобновляемые источники энергии.