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Könnte dein Training dein Smartphone aufladen?
Eines Tages könnte dein Morgengymnastiktraining oder Jogging nicht nur dich aufladen, sondern auch dein Smartphone oder ein anderes kleines elektronisches Gerät aufladen. Wissenschaftler haben einen Biosensor entwickelt, der in einer temporären Tätowierung angebracht ist, die den Fortschritt des Trägers während des Trainings überwachen und ihren Schweiß nutzen kann, um elektrische Energie zu erzeugen.
Biobatterien laden sich schneller auf als herkömmliche Batterien, sie nutzen erneuerbare Energie und explodieren nicht und geben keine giftigen Chemikalien ab.
Die Innovation ist die Arbeit eines Teams, das von Joseph Wang, Distinguished Professor und Chair of Nanoengineering an der University of California, geleitet wird. Sie stellten ihren neuartigen Biobatterie-Ansatz auf einem kürzlichen Treffen der American Chemical Society in San Francisco vor.
Im Vergleich zu herkömmlichen Batterien haben Biobatterien mehrere Vorteile: Sie laden sich schneller auf, sie nutzen erneuerbare Energie (in diesem Fall Körperschweiß) und sie explodieren nicht und geben keine giftigen Chemikalien ab.
Prof. Wang sagt, dass ihre Arbeit "die ersten Beispiele epidermaler elektrochemischer Biosensor- und Biotreibstoffzellen zeigt, die potenziell für eine breite Palette zukünftiger Anwendungen verwendet werden könnten".
Während wir schwitzen, produzieren wir Laktat, "ein sehr wichtiger Indikator dafür, wie Sie sich während des Trainings verhalten", sagt Dr. Wenzhao Jia, ein Postdoktorand in Prof. Wangs Labor.
Im Allgemeinen üben wir umso mehr Laktat, je mehr wir produzieren, da die aerobe Atmung nicht ausreicht, um die benötigte Energie zu erzeugen, und die anaerobe Atmung setzt ein. Anaerobe Atmung wandelt Glukose oder Glykogen in Milchsäure um und erzeugt dabei Energie.
Profisportler überwachen ihre Laktatwerte, um ihre Fitness und Trainingsleistung zu bewerten. Ärzte beurteilen auch die Laktatwerte während des Trainings, um Patienten auf Herz- oder Lungenerkrankungen und andere Zustände zu untersuchen, die durch ungewöhnlich hohe Laktatwerte gekennzeichnet sind.
Nicht-invasive Echtzeitmessung der Laktatwerte während des Trainings
Dr. Jia und ihre Kollegen haben einen schnelleren, einfacheren und nicht-invasiven Weg entwickelt, Laktat während des Trainings in Echtzeit zu messen. Vor ihrer Neuerung war dies nur möglich, indem während des Trainings in regelmäßigen Abständen Blutproben entnommen und zur Analyse verschickt wurden.
Der neue Sensor, der auf eine temporäre Tätowierung aufgedruckt werden kann, enthält ein Enzym, das durch Ablösen von Elektronen aus Laktatmolekülen einen schwachen elektrischen Strom erzeugt.
Die Wissenschaftler testeten das neue Gerät an 10 gesunden Probanden. Sie applizierten die temporären Tattoos auf die Oberarme der Freiwilligen und maßen, wie viel elektrischer Strom sie beim Training erzeugten.
Die Freiwilligen trainierten 30 Minuten lang auf stationären Fahrrädern, wobei der Widerstand im Laufe der Zeit allmählich anstieg. Die Sensoren erlaubten den Wissenschaftlern, den Schweiß-Laktat-Spiegel zu überwachen, während sie sich mit der Trainingsintensität veränderten.
Biobattery verwendet Laktat aus Schweiß zur Erzeugung von Energie
Das Team entwickelte die Technologie dann weiter und machte eine schweißtreibende Biobatterie.
Sie verwendeten das Enzym, das das Laktat von Elektronen als Anode abtrennt, und verwendeten eine Chemikalie, die die Elektronen als Kathode akzeptiert. Elektronen, die sich von einer Anode zu einer Kathode bewegen, sind das Grundprinzip, nach dem eine Batterie arbeitet.
Um zu sehen, wie das Gerät funktioniert, spielen Sie das Video unten.
Das Team testete die Biobatterie an 15 Freiwilligen, die auf Fahrrädern trainierten. Wie zuvor wurde das Gerät in eine temporäre Tätowierung in den Oberarmen integriert.
Die verschiedenen Freiwilligen produzierten unterschiedliche Mengen an Energie in ihren Tätowierungs-Biobatterien. Seltsamerweise schienen die weniger geeigneten Freiwilligen die meiste Energie zu produzieren. Diejenigen, die nur einmal pro Woche trainierten, produzierten mehr Kraft als diejenigen, die mindestens dreimal pro Woche trainierten.
Eine mögliche Erklärung ist, dass weniger gut trainierte Menschen schneller ermüden, was dazu führt, dass die Laktat-produzierende anaerobe Atmung früher einsetzt.
Die weniger geeigneten Freiwilligen produzierten ungefähr 70 & mgr; W pro Quadratzentimeter (cm 2) Haut. Dr. Jia sagt, dass dies keine große Menge an Strom ist, aber sie arbeiten daran, wie es verbessert werden kann, damit es schließlich ausreichen kann, um kleine elektronische Geräte mit Strom zu versorgen:
"Im Moment können wir maximal 70 ?W pro cm2 erreichen, aber unsere Elektroden sind nur 2 mal 3 Millimeter groß und erzeugen etwa 4 ?W - ein bisschen klein, um genug Leistung zu erzeugen, um beispielsweise eine Uhr laufen zu lassen, die an benötigt mindestens 10 ?W. "
Sie sagt, dass sie auch einen Weg finden müssen, den erzeugten Strom zu speichern.
Die National Science Foundation und das Office of Naval Research finanzieren die Arbeit.
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