Le corps électrique : des chercheurs intègrent l’électronique aux cellules humaines qui génèrent de l’énergie
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L’une des raisons pour lesquelles nous ne voyons pas encore de puissants cyborgs arpenter nos rues tient aux batteries nécessaires à leur fonctionnement électromécanique. Elles sont encombrantes et sujettes à la décharge. Or, la partie biologique – notre corps – fonctionne 24 h/24 et 7 j/7 grâce à son énergie chimique, mécanique et électrique intrinsèque. Des scientifiques ont désormais mis au point une méthode permettant de capter une partie de cette énergie corporelle pour alimenter des dispositifs portables et des implants.
Des chercheurs de l’Université du Massachusetts à Amherst ont mis au point un maillage électronique ultra-mince et flexible qui s’intègre aux cellules cardiaques humaines vivantes et convertit leurs mouvements mécaniques en électricité.
Ce dispositif, appelé collecteur d’énergie biohybride à mailles, est composé de nombreux minuscules générateurs piézoélectriques répartis sur un réseau flexible dans lequel et autour duquel des cellules vivantes peuvent se développer. Lorsque les cellules se contractent, elles déforment ces générateurs, produisant ainsi de l’électricité. Lors de tests en laboratoire, les chercheurs affirment que cette technologie a permis d’atteindre une densité énergétique effective plus de dix fois supérieure à celle des méthodes conventionnelles de récupération d’énergie. Ces travaux ont été publiés dans la revue Science Advances .
Les implants électroniques et les dispositifs portables tels que les implants cochléaires, les prothèses bioniques, les neurostimulateurs, les implants cardiaques et les dispositifs de gestion du diabète sont indispensables pour améliorer la vie de centaines de millions de personnes dans le monde.
Au-delà des dispositifs médicaux d’assistance et de réadaptation indispensables, le suivi de la santé a connu une croissance exponentielle ces dernières années : environ 120 millions d’adultes américains, soit près de 46 % de la population adulte, possèdent des objets connectés tels que des montres et des bagues intelligentes, selon l’enquête 2025 de Rock Health sur l’adoption par les consommateurs . S’ajoute à cela la fascination de longue date pour l’augmentation des capacités humaines grâce à l’électronique.
Presque tous les appareils de ces secteurs présentent une limitation intrinsèque : leur dépendance aux batteries. Celles-ci occupent un espace précieux, ajoutent du poids et de la rigidité, et finissent par se décharger. Si recharger une montre connectée ne représente qu’un inconvénient mineur, remplacer la batterie d’un implant médical peut nécessiter une nouvelle intervention chirurgicale, engendrant des coûts et des risques médicaux supplémentaires. Des batteries plus petites ou plus fines contribuent à atténuer certains de ces problèmes, mais elles stockent également moins d’énergie, ce qui peut limiter l’autonomie des appareils.
Les scientifiques ont donc exploré d’autres moyens d’alimenter les appareils électroniques en récupérant l’énergie du corps lui-même, comme les générateurs thermoélectriques qui exploitent les différences de température entre le corps et son environnement, et les générateurs piézoélectriques qui convertissent les mouvements mécaniques en électricité. Des chercheurs ont également récemment mis au point un textile imprimable qui récupère les charges diélectriques générées par les mouvements de la personne qui le porte .
Les générateurs piézoélectriques sont particulièrement intéressants pour les implants car le corps est en mouvement constant, des mouvements respiratoires aux battements rythmiques du cœur. Lorsque certains matériaux piézoélectriques sont comprimés ou étirés, ils génèrent une charge électrique qui peut être captée et utilisée pour alimenter des dispositifs électroniques. Ils ont déjà été testés dans des implants médicaux expérimentaux, notamment des stimulateurs cardiaques alimentés par les battements du cœur d’animaux.
Cependant, les récupérateurs d’énergie piézoélectriques classiques sont généralement des dispositifs individuels fixés à la surface des tissus vivants. Cette approche centralisée présente plusieurs inconvénients. D’une part, leurs propriétés mécaniques peuvent différer considérablement de celles des tissus biologiques souples et flexibles, ce qui rend leur intégration difficile. D’autre part, leur contact avec le tissu est principalement superficiel, limitant ainsi l’interaction des éléments de récupération avec les mouvements cellulaires. Augmenter la taille ou le nombre de ces dispositifs peut engendrer des contraintes supplémentaires encombrantes et mécaniques.
Pour surmonter ces limitations, les chercheurs de l’UMass Amherst ont adopté une approche différente, inspirée par la manière dont les organismes vivants répartissent la production d’énergie dans leurs tissus. Ils ont commencé par fabriquer des réseaux de minuscules rubans de titanate de zirconate de plomb (PZT), une céramique piézoélectrique couramment utilisée dans les capteurs et les actionneurs. Ce matériau produit une charge électrique lorsqu’il est soumis à une déformation mécanique, ce qui le rend apte à récupérer l’énergie issue des mouvements des cellules vivantes.
Les chercheurs ont ensuite intégré ces rubans dans un maillage polymère ultrafin et très flexible, créant ainsi un réseau d’unités interconnectées de récupération d’énergie. Contrairement aux substrats solides classiques, la structure en maillage ouvert offre des espaces permettant aux cellules vivantes de se développer et d’interagir avec l’électronique intégrée. Pour le démontrer, les chercheurs ont ensemencé la plateforme avec des cellules cardiaques humaines, qui se sont progressivement développées à l’intérieur et autour du maillage, intégrant ainsi le réseau électronique au tissu en développement.
La structure biohybride ainsi obtenue pouvait se mouvoir et se déformer avec les cellules vivantes, permettant aux composants électroniques de fonctionner en contact mécanique étroit avec le système biologique. Lors de la contraction des cellules cardiaques, les rubans de PZT intégrés se déformaient mécaniquement, générant de l’énergie électrique par effet piézoélectrique en plusieurs points du tissu.
Collecteur à mailles biohybrides
L’architecture distribuée constitue la principale innovation de cette recherche. Au lieu de s’appuyer sur un dispositif de récupération d’énergie relativement volumineux fixé à une partie du tissu, le réseau intègre de nombreux générateurs miniatures directement dans la structure tissulaire, permettant ainsi la récupération d’énergie à travers un vaste réseau d’interactions cellulaires, tout en préservant la flexibilité nécessaire aux mouvements biologiques. Les chercheurs estiment également que cette intégration plus poussée pourrait améliorer la biocompatibilité en réduisant l’incompatibilité mécanique entre les composants électroniques et le tissu vivant.
D’après l’étude, le système a atteint une densité énergétique effective plus d’un ordre de grandeur supérieure à celle des approches centralisées de récupération d’énergie existantes. Autrement dit, la nouvelle architecture a permis d’obtenir une énergie récupérée plus de dix fois supérieure par rapport au volume effectif du dispositif.
Un autre avantage potentiel réside dans l’évolutivité. Grâce à l’extrême finesse et à la flexibilité du maillage, les chercheurs suggèrent d’empiler plusieurs couches afin d’accroître la production d’électricité sans augmenter sensiblement l’encombrement du dispositif. À terme, cela permettrait aux ingénieurs d’adapter la capacité de récupération d’énergie aux besoins énergétiques de différents systèmes électroniques.
Cette technologie pourrait à terme trouver des applications dans les implants médicaux tels que les stimulateurs cardiaques, les systèmes de surveillance cardiaque, les neurostimulateurs et autres dispositifs électroniques bio-intégrés basse consommation. Elle pourrait également inspirer de nouvelles approches pour l’alimentation des capteurs portables et des systèmes électroniques conçus pour fonctionner au contact étroit des tissus vivants.
« Notre organisme a tendance à rejeter les systèmes équipés de batteries volumineuses, mais lorsque le dispositif opère au niveau cellulaire, la biocompatibilité est nettement améliorée », explique Jun Yao, auteur principal de l’article et professeur associé au Riccio College of Engineering de l’UMass Amherst. « La grande force de ce système réside dans son caractère non invasif et son efficacité. »
Cependant, cette technologie demeure encore à ses balbutiements. Jusqu’à présent, les chercheurs l’ont démontrée uniquement sur des tissus cardiaques cultivés en laboratoire et n’ont pas encore pu la tester sur un organisme vivant ni prouver sa capacité à alimenter de manière autonome un implant médical fonctionnel. Des questions subsistent également quant à sa durabilité à long terme, sa puissance électrique et sa biocompatibilité, notamment parce que le PZT contient du plomb, principal bioennemi, et devrait donc être isolé avec précaution des tissus environnants. Cela dit, ces recherches constituent une base prometteuse pour l’intégration de l’électronique aux tissus biologiques.