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Dor Tillinger and Wonbae Lee, two researchers in the Penn State College of Engineering, prepare a glass substrate with m

Dor Tillinger et Wonbae Lee, deux chercheurs du Penn State College of Engineering, préparent un substrat en verre avec des matériaux destinés à la fabrication d'une source d'énergie à base d'hydrogel. (Crédit : Jaydyn Isiminger/Penn State)

La biologie de l’anguille électrique inspire une puissante batterie en gel

par La rédaction
2 février 2026
en Batterie, Technologie

Les sources d’alimentation utilisées dans les dispositifs implantés dans ou autour des tissus biologiques doivent être flexibles et non toxiques, tout en étant suffisamment puissantes pour prendre en charge des technologies exigeantes comme les dispositifs médicaux ou la robotique douce. Pour atteindre cet équilibre, des chercheurs de Penn State s’inspirent d’un endroit « choquant » : les anguilles électriques. 

L’équipe a utilisé une méthode de fabrication de pointe pour superposer plusieurs types d’hydrogels — un matériau riche en eau capable de conduire l’électricité — selon un motif spécifique qui imite les processus ioniques que les anguilles électriques utilisent pour générer des décharges électriques. Leur approche produit des sources d’alimentation avec des densités de puissance plus élevées que d’autres conceptions à base d’hydrogel, tout en restant flexibles, sans support, stables dans l’environnement et biocompatibles.

Selon Joseph Najem, professeur assistant en génie mécanique et auteur correspondant de l’article, les chercheurs se sont déjà inspirés de la biologie des poissons électriques, comme les anguilles, pour développer des sources d’alimentation souples. Cependant, la plupart des dispositifs inspirés des anguilles produisent une puissance limitée et nécessitent un support mécanique pour fonctionner. Pour résoudre ces problèmes, l’équipe a ajusté la chimie des matériaux pour fabriquer des hydrogels très minces, qui peuvent produire plus de puissance sans avoir besoin de supports mécaniques. 

« Les électrocytes des anguilles électriques sont des cellules biologiques ultra-minces, capables de générer plus de 600 volts d’électricité en une brève décharge », explique Najem. « Ces cellules atteignent des densités de puissance très élevées, ce qui signifie qu’elles peuvent produire beaucoup d’énergie à partir de petits volumes. » 

L’équipe a construit ses sources d’alimentation uniquement à partir d’hydrogel pour garantir que les batteries restent non toxiques et flexibles, même en devenant plus puissantes. 

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« Pour les applications biomédicales et proches de la biologie, nous devons nous assurer que les batteries sont compatibles avec leur environnement, flexibles, sûres et idéalement capables d’utiliser les ressources disponibles pour se recharger », souligne Najem. « Cela nous a motivés à développer nos sources d’alimentation puissantes dans un système à base d’hydrogel, qui fonctionnerait bien dans les environnements biologiques. » 

En utilisant le spin coating, une technique qui dépose des couches ultra-minces de matériau sur une surface rotative, l’équipe a superposé quatre mélanges d’hydrogel différents, chacun ne mesurant que 20 micromètres d’épaisseur — une fraction de l’épaisseur d’un cheveu humain. Cette géométrie mince réduit la résistance interne, ce qui est essentiel pour produire une puissance élevée, tout en préservant la résistance mécanique et la flexibilité, explique Najem.  

« Dans les études antérieures, les hydrogels nécessitaient généralement des structures de support externes, ce qui rendait cette approche peu pratique et conduisait à de faibles puissances de sortie », indique Dor Tillinger, doctorant en génie mécanique et co-premier auteur de l’article. « Nous avons constaté que l’utilisation d’un hydrogel mince réduisait naturellement la résistance interne du matériau, ce qui augmentait les densités de puissance que nous pouvions obtenir. » 

Pour rendre leur hydrogel plus mince, l’équipe a dû ajuster la chimie. Wonbae Lee, doctorant en science et génie des matériaux et co-premier auteur, explique comment l’équipe a testé plusieurs approches avant de décider du mélange optimal. 

« Nous avons dû ajuster soigneusement le mélange chimique pour que l’hydrogel puisse s’étaler uniformément pendant le spin coating, rester mécaniquement stable et être suffisamment mince pour maintenir une faible résistance électrique », précise Lee. « Les formulations conventionnelles auraient simplement été éjectées de la surface en rotation pendant le spin coating. Optimiser la viscosité et la résistance mécanique de notre hydrogel était essentiel pour faire fonctionner cette approche. »  

L’équipe a utilisé les instruments du laboratoire de Najem et du Materials Research Institute pour recueillir des mesures électrochimiques de leurs sources d’alimentation, telles que le taux de décharge, la densité de puissance et le potentiel conducteur. Leurs nouvelles sources d’alimentation ont présenté des densités de puissance d’environ 44 kW/m3 — supérieures à celles des sources d’alimentation à base d’hydrogel précédemment rapportées, et capables d’alimenter efficacement des dispositifs complexes comme des capteurs médicaux implantés, des contrôleurs de robotique douce et des appareils électroniques portables. 

« De plus, ces optimisations de matériaux permettent un fonctionnement dans des environnements extrêmes », ajoute Lee. « En incorporant le glycérol chimique, les sources d’alimentation à hydrogel restent fonctionnelles à des températures aussi basses que 80 degrés Celsius (C), soit -112 degrés Fahrenheit (F), sans geler. » 

Le matériau retient également l’eau plus longtemps que les hydrogels conventionnels. Alors que les hydrogels standards peuvent se déshydrater en quelques minutes et perdre leur conductivité, la nouvelle formulation peut rester hydratée pendant des jours à l’air libre, indique Najem.  

« À notre connaissance, c’est la première source d’alimentation entièrement contenue dans une solution d’hydrogel qui ne nécessite aucun support externe », affirme Najem. « Nous ne connaissons aucune autre technologie d’hydrogel capable d’atteindre ces densités de puissance tout en restant flexible et stable dans l’environnement. »  

Selon Tillinger et Lee, les travaux futurs se concentreront sur l’augmentation de la densité de puissance et de l’efficacité de recharge des sources d’alimentation, tout en explorant les capacités d’auto-recharge.  

Les autres co-auteurs de Penn State incluent Derek Hall, professeur assistant en génie mécanique;  et Haley Tholen, qui a récemment obtenu son doctorat en génie mécanique de Penn State. 

Article : Electric-Fish-Inspired Thin Hydrogel Electrocytes Achieve High Power Density and Environmental Robustness – Journal : Advanced Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Soruce : Penn State U.

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Tags: batterieelectriquegelhydrogel
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UNIVERSITY PARK, Pa. — Power sources used in devices found in or around biological tissue must be flexible and non-toxic, while still powerful enough to support demanding technologies such as medical devices or soft robotics. To achieve this balance, researchers at Penn State are taking inspiration from a “shocking” place: electric eels. 

The team used a state-of-the-art fabrication method to layer multiple types of hydrogels — a water-rich material capable of conducting electricity — in a specific pattern that mimics the ionic processes electric eels use to generate electrical bursts. Their approach produces power sources with higher power densities than other hydrogel-based designs, while remaining flexible, support-free, environmentally stable and biologically compatible. They published their findings in Advanced Science. 

According to Joseph Najem, assistant professor of mechanical engineering and corresponding author on the paper, researchers have looked to the biology of electric fish, such as eels, as inspiration to develop soft power sources previously. However, most existing eel-inspired devices produce limited power and require mechanical support to function. To address these problems, the team adjusted the material chemistry to fabricate very thin hydrogels, which can produce more power without the need of mechanical supports. 

“The electrocytes in electric eels are ultra-thin biological cells, capable of generating over 600 volts of electricity in a brief burst,” Najem said. “These cells achieve very high-power densities, meaning they can produce a lot of power from small volumes.” 

The team built their power sources from only hydrogel to ensure the batteries remained non-toxic and flexible, even as they became more powerful. 

“For biomedical and near-biology applications, we have to make sure that batteries are compatible with their surroundings, flexible, safe and ideally capable of using available resources to recharge,” Najem said. “This motivated us to develop our strong power sources in a hydrogel-based system, which would operate well within biological environments.” 

Using spin coating, a technique that deposits ultra-thin layers of material on a rotating surface, the team layered four different hydrogel mixtures, each only 20 micrometers thick — a fraction of the width of a human hair. This thin geometry reduces internal resistance, which is essential for producing high power, while preserving mechanical strength and flexibility, Najem explained.  

“In earlier studies, hydrogels typically required external support structures, which made this approach impractical and led to low-power outputs,” said Dor Tillinger, doctoral candidate of mechanical engineering and co-first author on the paper. “We found that using thin hydrogel naturally reduced the internal resistance of the material, which increased the power densities we could output.” 

To make their hydrogel thinner, the team had to adjust the chemistry. Wonbae Lee, doctoral candidate in materials science and engineering and co-first author, explained how the team tested several approaches before deciding on the optimal mixture. 

“We had to carefully tune the chemical mixture so the hydrogel could spread uniformly during spin coating, remain mechanically stable and be thin enough to maintain low electrical resistance,” Lee said. “Conventional formulations would simply fly off the spinning surface during spin coating. Optimizing the viscosity and mechanical strength of our hydrogel was essential to making this approach work."  

The team used instrumentation in Najem’s laboratory and at the Materials Research Institute to collect electrochemical measurements from their power sources, such as discharge rate, power density and conductive potential. Their new power sources showcased power densities around 44 kW/m3 — higher than previously reported hydrogel-based power sources, and capable of efficiently powering complex devices like implanted medical sensors, soft robotics controllers and wearable electronics. 

“Additionally, these material optimizations enable operation in extreme environments,” Lee said. “By incorporating the chemical glycerol, the hydrogel power sources remain functional at temperatures as low as 80 degrees Celsius (C), or -112 degrees Fahrenheit (F), without freezing.” 

The material also retains water longer than conventional hydrogels. While standard hydrogels can dehydrate within a few minutes and lose conductivity, the new formulation can remain hydrated for days in air, Najem said.  

“To our knowledge, this is the first power source entirely contained within a hydrogel solution that requires no external support,” Najem said. “We are not aware of any other hydrogel technology that can achieve these power densities while remaining flexible and environmentally stable.”  

According to Tillinger and Lee, future work will focus on further increasing the power density and recharging efficiency of the power sources, while also exploring self-charging capabilities.  

Additional Penn State co-authors include Derek Hall, assistant professor of mechanical engineering;  and Haley Tholen, who recently received her doctorate in mechanical engineering from Penn State. 

This work was supported by the Air Force Office of Scientific Research. 

At Penn State, researchers are solving real problems that impact the health, safety and quality of life of people across the commonwealth, the nation and around the world.  

For decades, federal support for research has fueled innovation that makes our country safer, our industries more competitive and our economy stronger. Recent federal funding cuts threaten this progress.   

Learn more about the implications of federal funding cuts to our future at Research or Regress. 

Journal

Advanced Science

DOI

10.1002/advs.202519348

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Electric-Fish-Inspired Thin Hydrogel Electrocytes Achieve High Power Density and Environmental Robustness

Article Publication Date

7-Dec-2025

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