La biologie de l'anguille électrique inspire les puissantes batteries au gel

Une équipe de l'Université Penn State utilise une approche unique pour développer des batteries non toxiques destinées aux dispositifs médicaux et plus encore.

Les sources d'énergie utilisées dans les dispositifs placés dans ou autour des tissus biologiques doivent être flexibles et non toxiques, tout en étant suffisamment puissantes pour alimenter des technologies exigeantes telles que les dispositifs médicaux ou la robotique souple. Pour atteindre cet équilibre, des chercheurs de Penn State s'inspirent d'une source pour le moins surprenante : 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 précis qui imite les processus ioniques utilisés par les anguilles électriques pour générer des décharges électriques. Leur approche permet de produire des sources d'énergie présentant des densités de puissance supérieures à celles d'autres dispositifs à base d'hydrogel, tout en conservant leur flexibilité, leur absence de support, leur stabilité environnementale et leur biocompatibilité. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Advanced Science . 

Selon Joseph Najem, professeur adjoint de génie mécanique et auteur principal de l'article, les chercheurs s'étaient déjà inspirés de la biologie des poissons électriques, comme les anguilles, pour développer des sources d'énergie douces. Cependant, la plupart des dispositifs existants inspirés des anguilles produisent une puissance limitée et nécessitent un support mécanique pour fonctionner. Pour pallier ces problèmes, l'équipe a modifié la chimie du matériau afin de fabriquer des hydrogels très fins, capables de produire davantage d'énergie sans support mécanique. 

« Les électrocytes des anguilles électriques sont des cellules biologiques ultrafines, capables de générer plus de 600 volts d'électricité en une brève impulsion », explique Joseph 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'énergie exclusivement à partir d'hydrogel afin de garantir que les batteries restent non toxiques et flexibles, même en devenant plus puissantes. 

« Pour les applications biomédicales et proches du vivant, il est essentiel que les batteries soient compatibles avec leur environnement, flexibles, sûres et, idéalement, capables d'utiliser les ressources disponibles pour se recharger », déclare Joseph Najem. « C'est ce qui nous a motivés à développer nos sources d'énergie performantes dans un système à base d'hydrogel, capable de fonctionner efficacement en milieu biologique. » 

Grâce à la technique de dépôt par centrifugation, qui consiste à déposer des couches ultra-minces de matériau sur une surface rotative, l'équipe a superposé quatre mélanges d'hydrogel différents, chacun d'une épaisseur de seulement 20 micromètres, soit une fraction de l'épaisseur d'un cheveu. Cette faible épaisseur réduit la résistance interne, essentielle pour produire une puissance élevée, tout en préservant la résistance mécanique et la flexibilité, a expliqué Najem.  

« À notre connaissance, il s’agit de la première source d’énergie entièrement contenue dans une solution d’hydrogel ne nécessitant aucun support externe. » Joseph Najem , professeur adjoint de génie mécanique

« Dans les études précédentes, les hydrogels nécessitaient généralement des structures de support externes, ce qui rendait cette approche impraticable et entraînait de faibles puissances de sortie », précise 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 obtenir un hydrogel plus fin, l'équipe a dû modifier sa composition chimique. Wonbae Lee, doctorant en sciences et génie des matériaux et co-premier auteur de l'étude, a expliqué comment l'équipe a testé plusieurs approches avant de trouver le mélange optimal. 

« Nous avons dû ajuster avec précision le mélange chimique afin que l'hydrogel puisse s'étaler uniformément lors du dépôt par centrifugation, rester mécaniquement stable et être suffisamment fin pour maintenir une faible résistance électrique », explique Lee. « Les formulations classiques se seraient tout simplement détachées de la surface de rotation pendant le dépôt par centrifugation. L'optimisation de la viscosité et de la résistance mécanique de notre hydrogel était essentielle à la réussite de cette approche. »  

La figure ci-dessus illustre le matériau hydrogel placé dans l'unité. L'hydrogel est pris en sandwich entre deux électrodes, facilitant ainsi le passage du courant électrique.  Crédit : Fourni par Dor Tillinger . Tous droits réservés .

L'équipe a utilisé des instruments du laboratoire de Najem et de l' Institut de recherche sur les matériaux pour effectuer des mesures électrochimiques de ses sources d'énergie, notamment le taux de décharge, la densité de puissance et le potentiel de conduction. Ces nouvelles sources d'énergie ont affiché des densités de puissance d'environ 44 kW/m³, supérieures à celles des sources d'énergie à base d'hydrogel précédemment décrites, et capables d'alimenter efficacement des dispositifs complexes tels que des capteurs médicaux implantables, des contrôleurs de robots souples et des dispositifs électroniques portables. 

« De plus, ces optimisations de matériaux permettent un fonctionnement dans des environnements extrêmes », a déclaré Lee. « Grâce à l’incorporation de glycérol, les sources d’énergie à base d’hydrogel restent fonctionnelles à des températures aussi basses que 80 °C (-112 °F), sans geler. » 

Ce matériau conserve également l'eau plus longtemps que les hydrogels classiques. Alors que les hydrogels standards peuvent se déshydrater en quelques minutes et perdre leur conductivité, la nouvelle formulation peut rester hydratée pendant plusieurs jours à l'air libre, a expliqué Najem.  

Une solution d'hydrogel de composition chimique traditionnelle (à gauche) se déshydrate après cinq jours d'exposition à l'air, tandis que l'hydrogel modifié par l'équipe (à droite) reste hydraté. La figure de droite illustre comment l'hydrogel traditionnel (à gauche) se solidifie à basse température, tandis que l'hydrogel modifié par l'équipe (à droite) reste liquide.  Crédit : Dor Tillinger . Tous droits réservés .

« À notre connaissance, il s'agit de la première source d'énergie entièrement contenue dans une solution d'hydrogel et ne nécessitant aucun support externe », a déclaré Najem. « Nous n'avons connaissance d'aucune autre technologie d'hydrogel capable d'atteindre de telles densités de puissance tout en restant flexible et stable sur le plan environnemental. »  

Selon Tillinger et Lee, les travaux futurs porteront sur l'augmentation de la densité de puissance et de l'efficacité de recharge des sources d'énergie, tout en explorant les capacités d'auto-recharge.  

https://www.psu.edu/news/research/story/electric-eel-biology-inspires-powerful-gel-battery