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2026-02-27 02:25:00
Newswise — 生体組織内またはその周囲にあるデバイスで使用される電源は、医療機器やソフト ロボット工学などの要求の厳しいテクノロジーをサポートするのに十分強力であると同時に、柔軟性があり、無毒である必要があります。このバランスを達成するために、ペンシルベニア州立大学の研究者たちは、デンキウナギという「衝撃的な」場所からインスピレーションを得ています。
研究チームは、最先端の製造方法を使用して、デンキウナギが電気バーストを生成するために使用するイオンプロセスを模倣する特定のパターンで、電気を伝導できる水分が豊富な材料である複数の種類のヒドロゲルを層状に重ねた。彼らのアプローチは、柔軟性、サポートフリー、環境安定性、生物学的適合性を維持しながら、他のヒドロゲルベースの設計よりも高い出力密度を備えた電源を生成します。彼らはその発見を『Advanced Science』誌に発表しました。
「デンキウナギの電気細胞は非常に薄い生体細胞であり、短時間で600ボルトを超える電力を生成することができます」とナジェム氏は述べた。 「これらのセルは非常に高い出力密度を実現しています。つまり、少量から多くの電力を生成できるのです。」
チームは、バッテリーがより強力になっても無毒で柔軟性を維持できるようにするために、ハイドロゲルのみから電源を構築しました。
「生物医学および生物学に近い用途では、バッテリーが環境と互換性があり、柔軟性があり、安全で、充電に利用可能なリソースを理想的に使用できることを確認する必要があります」とナジェム氏は述べています。 「このことが、生物学的環境内で良好に動作する、ヒドロゲルベースのシステムで強力な電源を開発する動機になりました。」
回転する表面上に材料の極薄層を堆積する技術であるスピン コーティングを使用して、研究チームは 4 つの異なるヒドロゲル混合物を層状にしました。それぞれの厚さはわずか 20 マイクロメートルで、これは人間の髪の毛の幅の数分の 1 です。この薄い形状により、機械的強度と柔軟性を維持しながら、高出力を生み出すために不可欠な内部抵抗が低減されるとナジェム氏は説明しました。
「以前の研究では、ヒドロゲルは通常、外部支持構造を必要としていました。そのため、このアプローチは非実用的であり、出力が低くなってしまいました」と、機械工学の博士号取得候補者で論文の共同筆頭著者であるドー・ティリンジャー氏は述べた。 「薄いヒドロゲルを使用すると材料の内部抵抗が自然に減少し、出力できる電力密度が増加することがわかりました。」
ハイドロゲルを薄くするために、チームは化学反応を調整する必要がありました。材料科学および工学の博士号取得候補者であり共同筆頭著者である Wonbae Lee 氏は、最適な混合物を決定する前にチームがどのようにいくつかのアプローチをテストしたかについて説明しました。
「ヒドロゲルがスピンコーティング中に均一に広がり、機械的に安定した状態を保ち、低い電気抵抗を維持できるほど十分に薄いように、化学混合物を慎重に調整する必要がありました」とリー氏は語った。 「従来の配合物は、スピン コーティング中に回転面から簡単に飛び散ってしまいました。このアプローチを機能させるには、ヒドロゲルの粘度と機械的強度を最適化することが不可欠でした。」
「さらに、これらの材料の最適化により、極限環境での動作が可能になります」と Lee 氏は述べています。 「化学物質のグリセロールを組み込むことにより、ヒドロゲルの電源は、摂氏 80 度 (C) または華氏 -112 度 (F) という低い温度でも凍結することなく機能し続けます。」
また、この材料は従来のハイドロゲルよりも長く水を保持します。標準的なヒドロゲルは数分以内に脱水して導電性を失う可能性があるが、新しい製剤は空気中で数日間水和状態を維持できるとナジェム氏は述べた。
「私たちの知る限り、これは外部サポートを必要としない、完全にヒドロゲル溶液内に含まれる最初の電源です」とナジェム氏は語った。 「柔軟性と環境安定性を維持しながら、このような出力密度を達成できるハイドロゲル技術を他に知りません。」
Tillinger 氏と Lee 氏によると、今後の研究は、電源の電力密度と充電効率をさらに高めることに焦点を当て、同時に自己充電機能も探索する予定です。
ペンシルバニア州立大学のその他の共著者には、機械工学助教授のデレク・ホール氏が含まれます。そして最近ペンシルバニア州立大学から機械工学の博士号を取得したヘイリー・トーレンさん。
この研究は空軍科学研究局の支援を受けました。
#デンキウナギの生物学から強力なゲル電池が誕生