Генерация переменного тока с использованием мышечных сокращений (16.06.2010)

Для работы многих биомедицинских приборов, функционирование которых предполагает использование прибора внутри пациента (например, ими могут быть кардиостимуляторы и т.п.), остро встает вопрос о снабжении прибора энергией. Эту проблему можно решить двумя способами – разработать достаточно энергоемкие носители, которые бы могли устойчиво питать прибор энергией в течение долгого времени, и «научить» приборы собирать энергию из окружающего организма, например, использовать механическое движение мышц и конвертировать его в электрическую энергию. Американские ученые из Технологического института Джорджии разработали технологию, позволяющую получить переменный ток за счет мышечного сокращения и опробовали эту технологию in vivo на крысах.

Пьезоэлектрическая нанонить (ZnO, диаметр 100-800 нм, длина 100-500 микрон) была прикреплена боковой стороной к субстрату (мышце), и сокращение мышцы вызывало деформацию нанонити, причем в случае периодических механических колебаний во внешней цепи реализовались периодические колебания тока. Это устройство было названо однонитевым генератором (ОНГ), и в дальнейшей работе применялись именно таких ОНГ переменного тока (на рис.1(c) приведена ВАХ ОНГ, соответствующая контакту Шоттки).

Первая группа опытов была связана с внедрением ОНГ в диафрагму крысы. На рис. 1 приведена фотография имплантированного в диафрагму (а) и сердце (b) ОНГ, а также типичная зависимость тока от времени (d). При помощи респиратора была задана частота сокращений мышц диафрагмы (110 сокращений в секунду). На рис.2 приведены зависимости тока короткого замыкания и напряжение холостого хода от времени для прямого и обратного подключения ОНГ. Можно заметить, что первый пик сигнала обладает меньшей полушириной. чем второй. Это объясняется особенностями дыхательного процесса крысы: вдох менее протяжен по времени, чем выдох. В отсутствие респиратора эти закономерности сохранялись, но дыхание было более редким и глубоким, что отразилось на максимальной интенсивности профиля тока и напряжения (рис.3). Еще некоторые закономерности дыхания нашли свое отражение в профиле зависимости тока от времени: при использовании респиратора относительная разница между временем вдоха и выдоха больше, чем без него. На рис.2 можно видеть модуляцию амплитуды колебаний. Авторы исследования связывают ее с интерференцией «собственного» дыхания, вызванного физиологическими причинами, и частоты, генерируемой респиратором.

Вторая группа экспериментов представляла собой внедрение ОНГ в сердечную полость и прикрепление его к сердечной мышце (рис.4). Можно отметить, что полученные зависимости демонстрируют сложную природу сердечных сокращений, в частности, наличие двух пиков в периоде отражает две систолы цикла сердечной мышцы.

Оригинальная статья "Muscle-Driven In Vivo Nanogenerator" была опубликована 5 мая в Advanced Materials

Бородинов Николай Сергеевич

Нанометр