Ученые впервые смогли использовать естественную разность потенциалов во внутреннем ухе млекопитающих — биологическую "электрическую батарею" — для питания миниатюрного радиопередатчика, что открывает большие возможности для создания энергонезависимых имплантатов для человека.
Имплантируемые приборы требуют достаточно большого количества энергии. Пациентам приходится либо мириться с необходимостью повторных операций для замены источников питания, либо использовать громоздкие беспроводные источники энергии. "Местные" источники энергии, такие как тепло тела или движение мышц нельзя использовать без внешних термо- или пьезоэлектрических устройств.
Патрик Мерсье из Массачусетского технологического института и его коллеги решили использовать естественный источник тока в одном из органов внутреннего уха млекопитающих — в улитке.
Этот орган представляет собой заполненную жидкостью и свернутую в спираль трубку и отвечает за восприятие звуков. Внутри трубка разделена мембраной, с одной ее стороны находится перилимфа с высокой концентрацией ионов натрия, а с другой — эндолимфа с большим содержанием ионов калия. Между ними создается разность потенциалов от 70 до 100 милливольт, которую и решила использовать группа Мерсье.
Ученые провели серию экспериментов на морских свинках (Cavia porcellus) — у этих грызунов анатомия и физиология уха схожа с человеческой. Замеры показали, что улитка морских свинок генерирует ток от 14 до 28 микроампер с напряжением от 30 до 55 милливольт. Полученная на выходе мощность этой "батарейки" с учетом сопротивления электродов и других ограничений составила от 1,1 до 6,3 нановатт.
Такая низкая сила тока и мощность поставила перед исследователями две проблемы. Первая из них заключалась в том, что электроника на базе транзисторов требует для работы напряжение как минимум в сотни милливольт. Вторая состояла в том, что даже самые энергоэффективные электронные схемы требуют мощности в сотни раз больше.
Ученые решили проблему, создав специальную схему, которая запускалась в работу извне, с помощью беспроводного микроволнового излучателя энергии (работающего по тому же принципу, что и беспроводные считыватели для бесконтактных карт в турникетах метро). Антенна на микросхеме принимала энергию, схема начинала работать, потребляя мощность в сотни раз меньшую, чем существовавшие до сих пор схемы.
Во время эксперимента микрочип размером 9 на 11 миллиметров проработал на "ушном" электричестве грызуна в течение пяти часов, передавая на частоте 2,4 гигагерца данные о напряжении в улитке. Исследователи не стали имплантировать сам чип, но они отмечают, что устройство вполне могло бы поместиться в полость среднего уха морской свинки. Кроме того, авторы статьи проверили, как электроды повлияли на слух — как оказалась, слух у грызунов понизился только в области около 23 килогерц.