Κατάφεραν να παράγουν ηλεκτρισμό από… ιούς!

Ένα καινοτομικό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αβλαβείς ιούς, οι οποίοι μετατρέπουν την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική, ανέπτυξαν Αμερικανοί ερευνητές. Πρόκειται για την πρώτη μικρή γεννήτρια που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω χειραγώγησης των λεγόμενων πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων ενός βιολογικού υλικού, όπως είναι οι ιοί. Το επίτευγμα ανοίγει το δρόμο για μικροσκοπικές συσκευές που θα τροφοδοτούνται από βιολογικής προέλευσης πηγές ενέργειας, τις οποίες ο καθένας θα φέρει συνεχώς πάνω του.

Έρχεται έτσι π.χ. ένα βήμα πιο κοντά κάτι που ως τώρα εθεωρείτο επιστημονική φαντασία: να φορτίζει κανείς το κινητό τηλέφωνό του απλώς με το να περπατά έχοντας στη σόλα του παπουτσιού του ενσωματωμένη μία μικροσκοπική βιο γεννήτρια λεπτή σαν φύλλο χαρτιού (οι ιοί απλώνονται πάνω σε ένα τέτοιο «φιλμ»). Η ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει πολλές ακόμα εφαρμογές στο μέλλον.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας – Μπέρκλεϊ και του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Μπέρκλεϊ του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, με επικεφαλής τον καθηγητή βιολογικής μηχανικής Σέουνγκ-Γουκ Λι, που δημοσίευσαν τη σχετική μελέτη στο επιστημονικό περιοδικό «Nature», δημιούργησαν μια μικροσκοπική βιολογική γεννήτρια που παράγει αρκετό ρεύμα για μια μικρή οθόνη υγρών κρυστάλλων. Η συσκευή δουλεύει με την άσκηση πίεσης με το δάχτυλο πάνω σε ένα ηλεκτρόδιο μεγέθους γραμματοσήμου, το οποίο είναι επικαλυμμένο με γενετικά τροποποιημένους ιούς, οι οποίοι μετατρέπουν την δύναμη της πίεσης σε ηλεκτρικό φορτίο, με βάση το λεγόμενο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ο πιεζοηλεκτρισμός, που ανακαλύφθηκε το 1880, δημιουργείται από τη συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου σ’ ένα στερεό υλικό, ως αντίδραση στην μηχανική πίεση που ασκείται πάνω του. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει παρατηρηθεί σε κρύσταλλα, κεραμικά, οστά, πρωτεΐνες, ακόμα και το ίδιο το DNA, ενώ ήδη έχει διάφορες εφαρμογές. Όμως τα χρησιμοποιούμενα υλικά για την κατασκευή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών συχνά θεωρούνται τοξικά, πράγμα που εμποδίζει την ευρεία εξάπλωση αυτής της τεχνολογίας.

Όπως ανέφεραν οι ερευνητές, χρειάζονται περαιτέρω έρευνες για τη βελτίωση της πρωτοποριακής τεχνολογίας, η οποία υπόσχεται να αξιοποιήσει ένα μη τοξικό εναλλακτικό υλικό, τους αβλαβείς ιούς. Οι επιστήμονες εργάστηκαν με τον ραβδοειδή βακτηριοφάγο ιό Μ13 που επιτίθεται μόνο σε άλλους μικροοργανισμούς και όχι στον άνθρωπο. Ως ιός, πολλαπλασιάζεται ταχύτατα δημιουργώντας εκατομμύρια αντίγραφά του σε λίγες μόνο ώρες, συνεπώς παρέχει μια σταθερή πρώτη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Επίσης η γενετική τροποποίησή του είναι εύκολη υπόθεση, όπως και η εύτακτη τοποθέτησή του σε ένα πολύ λεπτό φιλμ.

Οι ερευνητές έδειξαν σε νανοκλίμακα –με τη βοήθεια ενός ειδικού πολύ ισχυρού μικροσκοπίου– ότι αυτό το βιοφίλμ των ιών έχει και πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες, οι οποίες βελτιώνονται ανάλογα με τη γενετική τροποποίηση του ιού, η οποία ενισχύει την τάση (βολτάζ) του. Οι επιστήμονες αύξησαν την ενεργειακή αποδοτικότητά του περαιτέρω, τοποθετώντας διαδοχικά στρώματα του φιλμ των ιών το ένα πάνω στο άλλο και διαπίστωσαν ότι 20 απανωτά φύλλα (φιλμ) παράγουν το ισχυρότερο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Οι ερευνητές πήραν το φιλμ με τα αλλεπάλληλα στρώματα ιών (με έκταση ένα τετραγωνικό εκατοστό) και το έκαναν «σάντουιτς» ανάμεσα σε δύο επιχρυσωμένα ηλεκτρόδια, τα οποία στη συνέχεια συνδέθηκαν με σύρματα με μια μικρή οθόνη υγρών κρυστάλλων. Όταν ασκούσαν με το δάχτυλό τους πίεση σε αυτή την ασυνήθιστη γεννήτρια ιών, παράγονταν έως 6 νανοαμπέρ ρεύματος και 400 millivolt, αρκετή ενέργεια για να εργαστεί η οθόνη (το παραγόμενο ρεύμα είναι περίπου το ένα τέταρτο του βολτάζ μίας μπαταρίας ΑΑΑ).

Νέα τεχνική μερικής όρασης με εμφύτευση μικροτσιπ στο μάτι!

Φωτοβολταϊκά κύτταρα που μεταμοσχεύονται χειρουργικά κάτω από τον αμφιβληστροειδή και μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικό οπτικό σήμα για τον εγκέφαλο, σε συνδυασμό με ειδικά γυαλιά εφοδιασμένα με κάμερα, τα οποία συλλαμβάνουν το φως και στη συνέχεια προβάλλουν μπροστά στα μάτια τις εικόνες που παράγει ο εγκέφαλος, αποτελούν τη νέα τεχνική που αναπτύσσουν Αμερικανοί επιστήμονες για την αποκατάσταση της όρασης.

Οι ερευνητές της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, που δημοσιεύουν τη σχετική μελέτη στο επιστημονικό περιοδικό «Nature», ευελπιστούν ότι η μέθοδός τους μία ημέρα θα επαναφέρει, έστω σε ένα βαθμό, την όραση σε ανθρώπους που την χάνουν εξαιτίας ορισμένων οφθαλμολογικών εκφυλιστικών παθήσεων, όπως η εκφύλιση της ωχράς κηλίδος.

Περίπου 15 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως πάσχουν από κάποια μορφή τύφλωσης. Στην περίπτωσή τους, υφίστανται σταδιακή καταστροφή τα κύτταρα – φωτοϋποδοχείς στον αμφιβληστροειδή φακό, που μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικά σήματα για τον εγκέφαλο, με συνέπεια οι οπτικές πληροφορίες να μην φθάνουν στον τελευταίο. Μέχρι σήμερα, έχουν υπάρξει διάφορες παρεμβάσεις στο επίπεδο της προσθετικής και αρκετές εταιρίες (όπως η αμερικανική Second Sight και η γερμανική Retina Implant AG) έχουν αναπτύξει τεχνητούς αμφιβληστροειδείς που βρίσκονται υπό κλινική δοκιμή στις ΗΠΑ και την Ευρώπη. Αυτές οι τεχνολογίες συνήθως χρησιμοποιούν μία κάμερα μπροστά από τα μάτια, η οποία μεταφέρει μέσω ενός σύρματος τις οπτικές πληροφορίες στον προσθετικό φακό, ο οποίος αντικαθιστά τους κατεστραμμένους φωτουποδοχείς.

Το πρόβλημα όμως με αυτή την τεχνική είναι ότι το εμφύτευμα συνδέεται με μικρά σύρματα τόσο με μία εξωτερική ενεργειακή πηγή, όσο και με την κάμερα. Η χειρουργική επέμβαση της εμφύτευσης είναι πολύπλοκη και συνήθως έχει παρενέργειες, όπως φλεγμονή και απώλεια νευρωνικών κυττάρων. Το επίτευγμα της νέας τεχνικής είναι ότι καθιστά περιττά τα σύρματα, καθώς ο προσθετικός αμφιβληστροειδής είναι ασύρματος, εύκαμπτος και πιο μικρός. Είναι φτιαγμένος από φωτοβολταϊκά κύτταρα από πυρίτιο, αντίστοιχα με αυτά που υπάρχουν –σε μεγαλύτερο μέγεθος– στα φωτοβολταϊκά στις στέγες των σπιτιών. Η βιντεοκάμερα, που είναι ενσωματωμένη πάνω στα ειδικά γυαλιά, παίρνει το οπτικό σήμα και το μεταβιβάζει στο φωτοβολταϊκό εμφύτευμα μέσω μίας ακτίνας (παλμοί λέιζερ) υπέρυθρου φωτός χαμηλής έντασης, το οποίο έχει μεγαλύτερο μήκος κύματος από το κανονικό ορατό φως και γι' αυτό δεν είναι ορατό στο γυμνό μάτι.

Στη συνέχεια, ο τεχνητός αμφιβληστροειδής (που στην ουσία είναι ένα «τσιπάκι» με φωτοδιόδους) μετατρέπει το υπέρυθρο φως σε ηλεκτρικό σήμα που φθάνει στους οπτικούς νευρώνες του εγκεφάλου. Εκεί μετατρέπεται σε εικόνες, οι οποίες μετά προβάλλονται στην μικροοθόνη υγρών κρυστάλλων που είναι ενσωματωμένη στα βιντεογυαλιά.

Ο οφθαλμίατρος – χειρούργος απλώς ανοίγει ένα μικρό θυλάκιο κάτω από τον αμφιβληστροειδή φακό, όπου εμφυτεύει τα φωτοβολταϊκά κύτταρα. Κάθε εμφυτευμένο φωτοβολταϊκό κύτταρο του προσθετικού αμφιβληστροειδούς έχει διάμετρο μόνο 70 μικρόμετρα (το ένα τρίτο περίπου του πλάτους της ανθρώπινης τρίχας) και είναι αρκετά ευαίσθητο, ώστε να ανταποκρίνονται στα φωτόνια του υπερύθρου φωτός. Κάθε φωτοβολταϊκό κύτταρο ενεργοποιείται ατομικά, όπως κάνει και κάθε φυσιολογικό βιολογικό κύτταρο – υποδοχέας.

Οι ερευνητές έκαναν τα σχετικά πειράματα με τους αμφιβληστροειδείς ποντικιών, αν και προς το παρόν είναι δύσκολο να πουν κατά πόσο ο ασύρματος προσθετικός αμφιβληστροειδής – φωτοβολταϊκό θα παρέχει όραση ανάλογη του κανονικού. Ήδη συνεχίζονται οι δοκιμές με πειραματόζωα και, σε επόμενο στάδιο, προγραμματίζονται δοκιμές σε ανθρώπους. Οι ερευνητές σκοπεύουν να προσπαθήσουν να σμικρύνουν κι άλλο τα προσθετικά φωτοβολταϊκά κύτταρα, ώστε να χωρέσουν περισσότερα στο μάτι κι έτσι να βελτιωθεί κι άλλο η όραση.

Μέχρι στιγμής 66 ασθενείς στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ έχουν ήδη τοποθετήσει στον αμφιβληστροειδή τους ενσύρματα εμφυτεύματα. Τα νέα ασύρματα εμφυτεύματα, αφού πρώτα ελεγχθούν ότι είναι βιοσυμβατά, ότι το υλικό τους είναι σταθερό και ότι η επέμβαση της τοποθέτησής τους θα είναι απολύτως ασφαλής, αναμένεται να βγουν στην αγορά σε ένα έως δύο χρόνια. Όμως, σύμφωνα με τον Παλάνκερ, ακόμα και η νέα τεχνική θα επιτρέπει την μερική μόνο αποκατάσταση της όρασης, καθώς ο ασθενής δεν θα είναι σε θέση να δει κανονικά τα χρώματα και η όρασή του θα απέχει αρκετά από την φυσιολογική.