בסרט "המטריקס", בני אדם צייתנים ומודעים למחצה (ספוילר) משמשים כסוללות לעוצמה מכנית גדולה. אמנם ברור שעיקרון זה מופרך, אך ביו-מרקם אמיתי. במהדורה האחרונה של חדשות מדע מתקדמות, מדענים מאוניברסיטת מדינת ניו יורק-בינגהמטון מתארים דרך חדשה להשתמש בחיידקים כסוללות עבור חיישנים קטנים. בעוד שביולוגיות שימשו לאלקטרוניקה בעלת עוצמה נמוכה, הם מעולם לא היו פשוטים או יעילים מספיק לשימוש נרחב. אז קבוצת בינגהמטון פיתחה דרך חדשה, קלה יותר, ליצור ולהפיץ תאי דלק חיידקים, המכונים MFCs, בעזרת דף נייר בודד וחיידקים מיובשים בהקפאה, שניתן להפעיל אותם רק עם מעט רוק.
מטרה חשובה של מכשירי MFC, במיוחד על בסיס נייר, היא לאפשר שימוש באלקטרוניקה בעלת הספק נמוך, ובייחוד חיישנים, כאשר סוללה רגילה היא גם מוגזמת וגם בעלת עלות. אלה לא יטעינו את הטלפונים של אף אחד, אבל הם יכניסו מספיק כוח כדי להפעיל חיישני LED, או יותר סביר, אבחונים שיכולים לשמש לגילוי HIV או סרטן, פיקוח על גלוקוז ועוד.
"[MFCs] ניתן להשתמש בסביבות מוגבלות במשאבים, כמו מדינות מתפתחות, " אומר היוצר Seokheun "Sean" Choi, פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים בבינגהמטון. "עם זאת, הבעיה היא הכוח. איננו יכולים להשתמש בסוללות זמינות מסחרית או בטכנולוגיות עדכניות של קציר אנרגיה מכיוון שהן בזבזניות מדי ויקרות מדי לשימוש חד פעמי, חיישנים ביו חד פעמיים. "
Shewanella oneidensis, החיידק המשמש את צוותו של צ'וי, משמש לעיתים קרובות בננו-טכנולוגיה, בשל יכולתו להפחית מתכות ולחיות בסביבות דלות חמצן. זו ההפחתה, בה מופרדים יוני חיובי מאלו שליליים, שהופכת את התאים המוארכים, שני מיקרומטר, לשימושיים בביולוגיות - התוצאה היא חלקיקים טעונים בחינם שיכולים לשמש כוח.
בדומה לסוללה רגילה, ביבריזה עובדת על ידי הפרדת מסוף טעון חיובי (המכונה הקתודה) מסוף טעון שלילי (אנודה). כאשר החיידק מעכל מקור מזון (בדרך כלל גלוקוז), תפקודי הנשימה שלו משחררים אלקטרונים ופרוטונים, שיכולים לשמש כאנרגיה.
"אם אנו מהנדסים את הסביבה שלהם כך שהחמצן מוגבל ואז אנו מספקים אלקטרודה מוצקה, נוכל ללכוד את האלקטרונים האלה, " אומר צ'וי.
החידוש של צ'וי קשור למבנה של MFCs נייר. כיצד, הוא שאל, אתה יכול ליצור ביו-מרקם זול של נייר שמסוגל להניע חיישנים אלקטרוניים פשוטים, אך גם קל לשימוש ולהובלה? הפיתרון שלו השתמש בכמה טכניקות חדשות, בעיקר ייבוש וקיפול הקפאה.
מבנה הסוללה נוצר מגליון נייר כרומטוגרפיה המחולק לרשת קמטים. קטע אחד, עשוי מכוסית חנקתי ומכוסה בשעווה, מהווה את הקתודה. קטע נוסף של פולימר מוליך משמש כאנודה, והשלישי מכיל מאגר לחיידקים ומקור האנרגיה שלו. צ'וי טוען מראש את המאגר בחיידקים ומייבש אותם. בדרך זו ניתן להעבירם או לאחסן אותם עד שבועיים.
לשימוש, פשוט ירקו למאגר וקפלו אותו למרכז הקתודה והאנודה. כן, לירוק; כל מה שצריך זה קצת חומר אורגני כדי שהחיידקים יתחילו להתחיל, והרוק מכיל גלוקוז. זה יכול להיות כל דבר, אבל בדרך כלל הרוק זמין ופחות ניתן להתנגדות מכמה מהחלופות.
עבודתו של צ'וי היא חלק מהתחום ההולך וגדל והחשוב של הפיירטרוניקה. (אוניברסיטת בינגהמטון) אהרון מזזאו, עוזר פרופסור להנדסת מכונות וחלל בחברת רוטגרס, מייצר פטרטרוניקה לממשקים גמישים-מכניים אנושיים - דברים כמו מכשירי נייר לביש לפיקוח על זיעה עבור קורטיזול, אינדיקטור למתח. סוללה כמו צ'וי יכולה להיות מקור הכוח שהוא זקוק לו.
"אנו ממשיכים לעמוד באתגר המתמשך לספק כוח למכשירים האלה", אומר מזזאו. "הכוח החשמלי מאפשר לך לבצע את האבחנה, אך זה עלול גם להגביר את האותות, כך שתוכל לזהות כמויות קטנות יותר. זה דרך החוצה בעתיד, אבל סוג זה יכול להועיל לא רק למדידת קורטיזול, אלא אולי אפילו דברים כמו כולסטרול או אלכוהול או סמנים אחרים רלוונטיים קליניים בדם, בשתן או בזיעה. "
עבודותיהם של מאזזי וגם של צ'ואי הן חלק מהתחום ההולך וגדל והחשוב של הפטרטרוניקה. מדענים מוצאים דרכים יותר ויותר טובות להניח מעגלים, קבלים, סוללות ואפילו תאים סולריים וממשקי משתמש (כמו שקורה בקבוצה של מזזו) על הנייר. לפני עבודתו של צ'וי, הסוללות שהפעילו את כל היישומים הללו היו פרשיות מורכבות המורכבות מגיליונות נייר מרובים שיש להתאים אותם בדיוק.
"אני חושב שיש פוטנציאל אמיתי לתחום זה לתרום למאמצים המתמשכים של החברה ביציבות סביבתית, בטיחות, תקשורת, בריאות וביצועים, " אומר מזזו.
אבל תמיד יש צורך להניע את האלקטרוניקה האלו, ולכן צ'וי עדיין רוצה להפוך את הסוללות שלו לחזקות ויעילות יותר, ולעשות זאת הוא חוקר אמצעים שונים לקיפולם ולערמתם, כמו גם הנדסת חיידקים כדי להיות יצרני כוח טובים יותר.
