Версия для слабовидящих
Биологический процесс адаптировали для питания микросхем Печать Email
Новости об инновациях
25.12.2015

Исследователям из Колумбийского университета удалось решить одну из главных проблем медицинской электроники. Они научились использовать ионные каналы клеточных мембран и энергию АТФ для питания микросхем в корпусе BGA. Грань между биологическим и искусственным становится всё более размытой, а трансгуманизм – всё ближе.

Развитие имплантируемой электроники сдерживается многими факторами, одним из которых остаётся проблема питания. До сих пор искусственные органы используют массивные внешние аккумуляторы, а дефект встроенной батареи у водителя ритма часто приводит к внезапной смерти больных с полной АВ-блокадой. Простейший имплантируемый датчик – и тот требует своего источника питания, пускай и маломощного.

Проблема состоит в том, что биологи обычно плохо разбираются в электротехнике, а инженеры совсем не смыслят в биологии. Поэтому для каждого из них задача кажется неразрешимой. Узкие специалисты акцентируют внимание на только им известных деталях вместо того, чтобы попытаться представить общую картину и дополнить её вместе. Долгожданный прорыв был осуществлён именно сообща – на кафедре электротехники Колумбийского университета при поддержке коллег из Брауновского университета и университета Пьюджет Саунд. Ниже приводится схема питания CMOS BGA чипа от клеточной мембраны (кликабельное изображение: Jared M. Roseman et all. / Nature Communications).

Схема питания CMOS BGA чипа от клеточной мембраны (изображение: Jared M. Roseman et all. / Nature Communications).

Примечание от техников.

В эксперименте исследователи создали двуслойную липидную мембрану. По строению она аналогична мембране живой клетки, только без «лишних» элементов. На каждом квадратном миллиметре её поверхности естественным образом формируются 2 × 106 натрий-калиевых ионных каналов, работающих за счёт энергии гидролиза АТФ. Они в состоянии выдержать ток силой 32,6 пA / мм2 и создают разницу потенциалов 78 мВ. Такая мембрана способна отдавать энергию подключённой нагрузке, обеспечивая мощность до 1,27 пВт с каждого квадратного миллиметра своей площади. Тонкая плёнка серебра/хлорида серебра играет роль ион-электронного преобразователя.

Примечание от биохимиков.

Во время гидролиза АТФ высвобождается энергия, запасённая в виде химических связей. Сначала разрывается концевая фосфоангидридная связь, что приводит к образованию АДФ, ортофосфата и выделению энергии. В стандартных условиях её образуется 30,54 кДж на один моль (60,22 Дж/г). В живой клетке из-за более высокой температуры реальное значение оказывается выше – около 50 кДж/моль (99 Дж/г). Затем в молекуле АДФ может разрушиться вторая связь и выделиться дополнительная энергия.

Серия опытов показала, что две мембраны в конструкции «бутерброда» уже обеспечивают достаточное напряжение, чтобы управлять интегральной схемой. Эффективность преобразования химической энергии в электрическую по тестам авторов технологии составила 14,9 %. Попытки найти альтернативные источники энергии продолжаются. Создаются пьезо-, термо-, фото-, механо- и какие угодно ещё X-электрические преобразователи энергии. Однако в медицинском аспекте все они меркнут на фоне заманчивой перспективы – непосредственно утилизировать энергию биохимических процессов так, как это делают живые клетки.

Конечно, от одной-двух клеточных мембран получить всю необходимую для имплантируемой электроники энергию невозможно в принципе. Однако любая батарея – это объединение маломощных генерирующих элементов, которых здесь может быть не один миллион. Для сравнения: организм человека состоит примерно из 1014 клеток, а каждую минуту их погибает свыше 108. Нервные клетки млекопитающих содержат в двадцать раз больше натрий-калиевых ионных каналов, чем сформировалось в описанной искусственной мембране. Идея братьев Вачовски о людях-батарейках на проверку оказалась не такой уж фантастической.

Источник - http://www.computerra.ru/137602/bio-cmos/

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта