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

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. 

« 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.