Біологічний процес адаптували для живлення мікросхем
Дослідникам з Колумбійського університету вдалося вирішити одну з головних проблем медичної електроніки. Вони навчилися використовувати іонні канали клітинних мембран і енергію АТФ для живлення мікросхем в корпусі BGA. Грань між біологічним і штучним стає все більш розмитою, а Трансгуманізм - все ближче.
Розвиток імплантується електроніки стримується багатьма факторами, одним з яких залишається проблема харчування. До сих пір штучні органи використовують масивні зовнішні акумулятори, а дефект вбудованої батареї у водія ритму часто призводить до раптової смерті хворих з повною АВ-блокадою. Найпростіший імплантується датчик - і той вимагає свого джерела живлення, нехай і малопотужного.
Проблема полягає в тому, що біологи зазвичай погано розбираються в електротехніці, а інженери зовсім не тямлять в біології. Тому для кожного з них завдання здається нерозв'язною. Вузькі фахівці акцентують увагу на тільки їм відомих деталях замість того, щоб спробувати уявити загальну картину і доповнити її разом. Довгоочікуваний прорив був здійснений саме спільно - на кафедрі електротехніки Колумбійського університету за підтримки колег з Брауновського університету і університету Пьюджет Саунд. Нижче наводиться схема харчування CMOS BGA чіпа від клітинної мембрани (клікабельно зображення: Jared M. Roseman et all. / Nature Communications).
Примітка від техніків.
В експерименті дослідники створили двуслойную липидную мембрану. За будовою вона аналогічна мембрані живої клітини, тільки без «зайвих» елементів. На кожному квадратному міліметрі її поверхні природним чином формуються 2 × 106 натрій-калієвих іонних каналів, що працюють за рахунок енергії гідролізу АТФ. Вони в змозі витримати струм силою 32,6 Па / мм2 і створюють різницю потенціалів 78 мВ. Така мембрана здатна віддавати енергію підключеної навантаженні, забезпечуючи потужність до 1,27 пВт з кожного квадратного міліметра своєї площі. Тонка плівка срібла / хлориду срібла грає роль іон-електронного перетворювача.
Примітка від біохіміків.
Під час гідролізу АТФ вивільняється енергія, запасена у вигляді хімічних зв'язків. Спочатку розривається кінцева фосфоангідрідная зв'язок, що призводить до утворення АДФ, ортофосфата і виділенню енергії. У стандартних умовах її утворюється 30,54 кДж на один моль (60,22 Дж / г). У живій клітині через більш високої температури реальне значення буде вищою - близько 50 кДж / моль (99 Дж / г). Потім в молекулі АДФ може зруйнуватися друга зв'язок і виділитися додаткова енергія.
Серія дослідів показала, що дві мембрани в конструкції «бутерброда» вже забезпечують достатню напругу, щоб управляти інтегральною схемою. Ефективність перетворення хімічної енергії в електричну по тестах авторів технології склала 14,9%. Спроби знайти альтернативні джерела енергії тривають. Створюються пьезо-, термо-, фото-, механо- і які завгодно ще X-електричні перетворювачі енергії. Однак в медичному аспекті всі вони тьмяніють на тлі привабливої перспективи - безпосередньо утилізувати енергію біохімічних процесів так, як це роблять живі клітини.
Звичайно, від однієї-двох клітинних мембран отримати всю необхідну для імплантується електроніки енергію неможливо в принципі. Однак будь-яка батарея - це об'єднання малопотужних генеруючих елементів, яких тут може бути не один мільйон. Для порівняння: організм людини складається приблизно з 1014 клітин, а кожну хвилину їх гине понад 108. Нервові клітини ссавців містять в двадцять разів більше натрій-калієвих іонних каналів, ніж сформувалося в описаній штучної мембрані. Ідея братів Вачовскі про людей-батарейках на перевірку виявилася не такою вже фантастичною.