Forskare har utvecklat mjuka, töjbara ”gelébatterier” som kan användas för bärbara enheter eller mjuk robotteknik, eller till och med implanteras i hjärnan för att leverera läkemedel eller behandla tillstånd som epilepsi.
Forskarna, som är verksamma vid University of Cambridge, har hämtat inspiration från elektriska ålar, som bedövar sina byten med hjälp av modifierade muskelceller som kallas elektrocyter.
I likhet med elektrocyter har de geléliknande material som Cambridgeforskarna har utvecklat en skiktad struktur, som klibbigt Lego, som gör att de kan leverera en elektrisk ström.
De självläkande gelébatterierna kan töjas till över tio gånger sin ursprungliga längd utan att ledningsförmågan påverkas – det är första gången som sådan töjbarhet och ledningsförmåga har kombinerats i ett och samma material. Resultaten rapporteras i tidskriften Science Advances.
Gelébatterierna är tillverkade av hydrogeler: 3D-nätverk av polymerer som innehåller över 60% vatten. Polymererna hålls samman av reversibla on/off-interaktioner som styr geléernas mekaniska egenskaper.
Möjligheten att exakt styra de mekaniska egenskaperna och efterlikna mänsklig vävnad gör hydrogeler till idealiska kandidater för mjuk robotik och bioelektronik, men de måste vara både ledande och töjbara för sådana tillämpningar.
Forskare har utvecklat mjuka, töjbara ”gelébatterier” som kan användas för bärbara enheter eller mjuk robotik, eller till och med implanteras i hjärnan för att leverera läkemedel eller behandla tillstånd som epilepsi. Kredit: University of Cambridge
”Det är svårt att designa ett material som är både mycket töjbart och mycket ledande, eftersom dessa två egenskaper normalt är i strid med varandra”, säger försteförfattaren Stephen O’Neill, från Cambridges Yusuf Hamied Department of Chemistry. ”Vanligtvis minskar ledningsförmågan när ett material sträcks ut.”
”Normalt är hydrogeler gjorda av polymerer som har en neutral laddning, men om vi laddar dem kan de bli ledande”, säger medförfattaren Dr. Jade McCune, även hon från Department of Chemistry. ”Och genom att ändra saltkomponenten i varje gel kan vi göra dem klibbiga och pressa ihop dem i flera lager, så att vi kan bygga upp en större energipotential.”
Konventionell elektronik använder styva metalliska material med elektroner som laddningsbärare, medan gelébatterierna använder joner för att bära laddningen, som elektriska ålar.
Hydrogelerna fäster starkt vid varandra tack vare reversibla bindningar som kan bildas mellan de olika lagren, med hjälp av tunnformade molekyler som kallas cucurbituriler och som är som molekylära handbojor. Den starka vidhäftningen mellan lagren som de molekylära handbojorna ger gör att gelébatterierna kan töjas ut utan att lagren går isär och, vilket är avgörande, utan att ledningsförmågan går förlorad.
Gelébatteriernas egenskaper gör dem lovande för framtida användning i biomedicinska implantat, eftersom de är mjuka och formar sig efter mänsklig vävnad. ”Vi kan anpassa hydrogelernas mekaniska egenskaper så att de matchar mänsklig vävnad”, säger professor Oren Scherman, chef för Melville Laboratory for Polymer Synthesis, som ledde forskningen i samarbete med professor George Malliaras från institutionen för teknik.
”Eftersom de inte innehåller några styva komponenter som metall, är det mycket mindre sannolikt att ett hydrogelimplantat stöts bort av kroppen eller orsakar ärrvävnad.”
Förutom att hydrogelerna är mjuka är de också förvånansvärt tåliga. De tål att klämmas ihop utan att permanent förlora sin ursprungliga form och kan självläka när de skadas.
Forskarna planerar framtida experiment för att testa hydrogelerna i levande organismer för att bedöma deras lämplighet för en rad olika medicinska tillämpningar.
För mer information: Stephen O’Neill et al, Highly Stretchable Dynamic Hydrogels for Soft Multilayer Electronics, Science Advances (2024). DOI: DOI: 10.1126/sciadv.adn5142. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn5142
