Ученые нашли способ превращать живые организмы – улиток, тараканов и грибы – в электронных «киборгов». Это делается путем имплантации крошечных «топливных элементов», которые генерируют и накапливают электроэнергию, используя метаболические процессы этих организмов. Работы, финансируемые Минобороны США, направлены на создание датчиков, работающих на биологической энергии, для дистанционного мониторинга.
Все началось в 2003 году с винограда. Инженер-химик Адам Хеллер и его коллеги из Университета Техаса в Остине внедрили в виноградину крошечный биотопливный элемент и показали, что он может превращать в электричество энергию естественных метаболических процессов этого фрукта, а именно – энергию химических реакций с участием глюкозы и кислорода. Это устройство может генерировать 2,4 микроватта электроэнергии.
Изначально Хеллер рассчитывал, что имплантированные биотопливные элементы найдут применение в медицине. Например, они могли бы служить термометрами, которые можно внедрять в рану, чтобы по температуре прооперированного органа судить о воспалительном процессе. Их можно было бы также использовать в качестве нервных стимуляторов. Однако эти устройства так и не появились на свет.
Здесь к делу подключились французские ученые. Они работают над созданием биотопливных элементов, которые используют глюкозу и кислород, циркулирующие в крови человека, для выработки энергии для подзарядки медицинских устройств, таких как стимуляторы сердца или искусственные мочевые сфинктеры для пациентов, страдающих недержанием.
Евгений Кац и его коллеги из Университета Кларксона в Потсдаме (штат Нью-Йорк) пошли в другом направлении в применении этой технологии. Ученые внедрили биотопливные элементы в крошечных садовых улиток. Идея состояла в том, чтобы перехватывать энергию улитки и использовать ее для питания различных микроустройств. Это могут быть, например дистанционные сенсоры, которые следят за уровнем токсинов в окружающей среде или передают изображения проходящих мимо людей.
«Это могут быть различные датчики, видеокамеры, – говорит Кац. – Их можно подключить к беспроводным устройствам, которые будут передавать информацию».
При этом электрифицированные улитки останутся милыми созданиями, не требующими особого ухода. Достаточно нескольких морковок, чтобы в течение нескольких месяцев они могли генерировали непрерывный поток электроэнергии.
Все живые существа используют глюкозу и кислород для выработки энергии. Биотопливные элементы подключаются к этой динамо-машине, используя два электрода длиной в несколько миллиметров, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Кац объясняет, что электроны текут через цепь между одним электродом, где происходит расщепление глюкозы, к другому, где кислород используется для синтеза воды.
«Если это происходит достаточно быстро и эффективно, – говорит он, – то можно извлекать электричество».
Теперь проблема состоит в том, чтобы подключить эти источники энергии в киберорганизмах к соответствующим датчикам.
Ученые также имплантировали биотопливные элементы в жуков и тараканов. Этим занимается Дэниел Шерсон из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо).
Он и его коллеги создали устройство, которое контролирует движения таракана, используя нервную систему насекомого. Теперь они хотят имплантировать в таракана биотопливный элемент, чтобы насекомого можно было использовать для работы датчиков, способных определять присутствие отравляющих веществ, таких, например, как боевой газ зарин.
По словам Шерсона, однажды с помощью сока деревьев можно будет определять угрозы окружающей среде:«Энергия, которую можно извлечь из сока, можно использовать для детекции любых материалов, которые представляют угрозу для общества».
Сейчас команда Шерсона пытается имплантировать биотопливные элементы в грибы шиитаке.
Работы по созданию кибернетических организмов проводятся при финансовой поддержке Министерства обороны США.
Результаты исследований Дэниела Шерсона и Евгения Каца по использованию биотопливных элементов опубликованы в «Журнале Американского химического общества» (Journal of the American Chemical Society).
Ученые научились извлекать электроэнергию, способную обеспечить работу миниатюрных электронных устройств, из растений и животных
