Intelligente Kontaktlinsenbatterie, die durch menschliche Tränen aufgeladen wird

NTU Singapur

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Forscher der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur haben eine mikrometerdünne Batterie entwickelt, die intelligente Kontaktlinsen mit Strom versorgen und mit Tränen aufgeladen werden kann, heißt es in einer Pressemitteilung der Universität.

Kontaktlinsen werden seit langem zur Sehkorrektur verwendet. Aufgrund des technologischen Fortschritts arbeiten Unternehmen daran, intelligentere Versionen zu entwickeln, die eine Verbindung zu Geräten wie Smartphones herstellen und Informationen nahe an den Augen des Trägers anzeigen. Für solche Anwendungen ist es erforderlich, dass die Objektive über einen internen Akku verfügen.

Interesting Engineering hat bereits darüber berichtet, wie Unternehmen Augmented-Reality-Anzeigen auf intelligenten Kontaktlinsen verwaltet haben. Diese Geräte verwenden extrem dünne Batterien mit Induktionsspulen und Drähten aus Metall, die Gefahren für die Augen des Benutzers bergen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Lee Seok Woo, einem Assistenzprofessor an der School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) der NTU, hat nun eine Batterie entwickelt, die keinerlei Metalle verwendet.

Die Batterie besteht aus biokompatiblen Materialien und ist mit einer glukosebasierten Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann mit Natrium- und Chloridionen im Wasser in der Batterie reagieren und als Schaltkreis zur Stromerzeugung dienen. Da in der Tränenflüssigkeit auch Natrium- und Chloridionen enthalten sind, könnten sich die Linsen beim Tragen praktisch aufladen.

„Diese Forschung begann mit einer einfachen Frage: Könnten die Batterien der Kontaktlinsen mit unseren Tränen aufgeladen werden?“ sagte Woo in einer Pressemitteilung. „Frühere Techniken für Linsenbatterien waren nicht perfekt, da eine Seite der Batterieelektrode aufgeladen war und die andere nicht. Unser Ansatz kann beide Elektroden einer Batterie durch eine einzigartige Kombination aus enzymatischer Reaktion und Selbstreduktionsreaktion aufladen.“ Da der Ansatz Glukose und Wasser verwendet, sind sie nach Ablauf der Lebensdauer sicher für den Benutzer und die Umwelt.

Da der Akku dünner als ein Millimeter ist, stellt sich die größte Frage, wie viel Energie er packen kann und wie lange er genutzt werden kann. Um ihre Erfindung zu testen, arbeiteten die Forscher mit einem simulierten Augenmodell.

Ihre Experimente ergaben, dass die Batterie einen Strom von 45 Mikroampere und eine maximale Leistung von 201 Mikrowatt erzeugen kann. Diese Energiemenge reicht aus, um das Gerät den größten Teil des Tages zu betreiben.

Auch hier hilft die Aufladung mit Tränen. Bei Lagerung in einer simulierten Tränenlösung könnte die Batterielebensdauer alle zwölf Stunden Nutzung um eine weitere Stunde verlängert werden. Wenn der Akku nicht verwendet wird, kann er zum Laden in einer konzentrierten Salzlösung aufbewahrt werden, die große Mengen an Glukose-, Kalium- und Natriumionen enthält.

Das Team stellte fest, dass die Batterie 200 Lade-Entlade-Zyklen durchlaufen kann. „Obwohl drahtlose Energieübertragung und Superkondensatoren eine hohe Leistung liefern, stellt ihre Integration aufgrund des begrenzten Platzangebots in der Linse eine erhebliche Herausforderung dar.“ sagte Li Zongkang, ein Ph.D. Student an der NTU, der an dieser Arbeit beteiligt war. „Durch die Kombination von Batterie und Biobrennstoffzelle in einer einzigen Komponente kann sich die Batterie selbst aufladen, ohne dass zusätzlicher Platz für kabelgebundene oder kabellose Komponenten benötigt wird. Darüber hinaus gewährleisten die an der Außenseite der Kontaktlinse angebrachten Elektroden die Sicht des Auges.“ kann nicht behindert werden.

Das Team arbeitet nun daran, die Menge an elektrischem Strom zu erhöhen, die die Batterie entladen kann, und arbeitet mit Kontaktlinsenherstellern zusammen, um dies auf den Markt zu bringen.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nano Energy veröffentlicht.

Abstrakt

Intelligente Kontaktlinsen, die für medizinische und persönliche Anwendungen entwickelt werden, erfordern miniaturisierte Stromversorgungen, wobei integrierte Batterien vielversprechende Optionen bieten. Das Laden von Batterien in kleinen tragbaren Geräten stellt jedoch eine Herausforderung dar, da es schwierig ist, elektrische Energie über eine miniaturisierte Kabelverbindung oder eine drahtlose Übertragungseinheit zu übertragen. Hier entwickeln wir sichere, tränenbasierte Batterien, die in Kontaktlinsen integriert sind und während ihrer Lagerung durch Biokraftstoff aufgeladen werden. Zum Laden der Kathode bzw. Anode werden enzymatische Reaktionen der Glucoseoxidase und die Selbstreduktion des leitenden Polymers genutzt. Die Elektroden werden in eine Kontaktlinse eingebettet und in einer künstlichen Tränenlösung entladen, gefolgt von einer Aufladung in einer Glukoselösung über eine Bioreaktion (Bioaufladung genannt). Die Bioladebatterie weist eine Entladekapazität von 45 μA cm− 2 und eine maximale Leistung von 201 μW cm− 2 auf, wobei ihre Leistung über 15 Zyklen verifiziert wurde. Der Bio-Akku kann auch konventionell über ein externes Netzteil aufgeladen werden.