Elektroaale, die in den Amazonas- und Orinoco-Einzugsgebieten Südamerikas am schlammigen Boden von Teichen und Bächen entlang gleiten, können einen Schock verursachen, der stark genug ist, um ein Pferd von den Füßen zu stoßen. Ihre Kraft kommt von Zellen, die als Elektrozyten bezeichnet werden und sich entladen, wenn der Aal jagt oder sich bedroht fühlt.
Jetzt lassen sich die Forscher von diesen Aalen (eigentlich nicht von Aalen, sondern von einer Art Fisch) inspirieren, um neue Energiequellen zu entwickeln, die eines Tages elektrische Geräte im menschlichen Körper wie Herzschrittmacher, Sensoren und Prothesen antreiben könnten Organe.
Elektrische Aale können das Laden und Entladen von Tausenden von Zellen in ihrem Körper gleichzeitig synchronisieren, sagt Max Shtein, ein Materialwissenschaftler an der Universität von Michigan, der an der Forschung mitgearbeitet hat.
„Wenn Sie darüber nachdenken, das sehr schnell - in einem Bruchteil einer Sekunde - für Tausende von Zellen gleichzeitig zu tun, ist das ein ziemlich cleveres Verdrahtungsschema“, sagt er.
Die Elektrozyten eines elektrischen Aals sind groß und flach, wobei Hunderte horizontal gestapelt sind. Aufgrund der Art und Weise, wie sie gestapelt sind, summieren sich die winzigen Einzelspannungen der Zellen zu einem erheblichen Kick. Dies ist möglich, weil das umgebende Gewebe die Elektrozyten isoliert, sodass die Spannung vor dem Fisch zum Wasser fließt - Beute oder Bedrohungen betäuben oder töten - und dann zurückfließt, um einen vollständigen Kreislauf zu bilden.
Ein Team um Shteins Mitarbeiter Michael Meyer von der Universität Freiburg versuchte, die Physiologie des Aals zu kopieren, indem es etwa 2.500 Einheiten Natrium und Chlorid in wasserbasierten Hydrogelen herstellte. Sie druckten Reihen von winzigen bunten Knöpfen aus Hydrogelen auf lange Plastikfolien und wechselten die salzigen Hydrogele mit nur mit Wasser hergestellten ab. Anschließend druckten sie eine zweite Schicht ladungsselektiver Hydrogele aus, die jeweils positiv geladenes Natrium oder negativ geladene Chloridgele durchließen. Beim Falten der Blätter berührten und erzeugten die abwechselnden Gele unter Verwendung einer speziellen Origami-Technik Elektrizität. Das System erzeugte 110 Volt - ein ordentlicher Ruck, aber weit weniger als die Leistung eines Aals, der dünnere Zellen mit niedrigerem Widerstand besitzt.
Ladungsselektive Hydrogele auf einem Blatt Salz- (rot) und Süßwasser- (blau) Hydrogele (University of Michigan) Das Team, dem auch Forscher der Universität Freiburg und der University of California in San Diego angehörten, schrieb letzten Monat in der Zeitschrift Nature über ihren Prototyp.
Das Hydrogelsystem ist weich und flexibel, was es zu einer potenziell guten Energiequelle für Roboter mit weichem Körper machen könnte, deren Bewegungen durch harte Batterien behindert würden. Es ist auch frei von den potenziell giftigen Inhaltsstoffen herkömmlicher Batterien wie Blei. Und da das System nicht aus biologischem Gewebe, sondern aus künstlichen Komponenten besteht, besteht nur ein geringes Potenzial für eine Immunabstoßung.
Die Forscher hoffen, dass sie die Leistung des Systems steigern können, indem sie die Hydrogelmembranen dünner machen. Sie hoffen auch, die Fähigkeit des Aals nachzuahmen, seine eigenen Körperflüssigkeiten zu verwenden, um Unterschiede in der Elektrolytkonzentration zwischen Elektrozyten aufrechtzuerhalten. Dies könnte es ermöglichen, ein implantiertes Gerät ohne externen Eingang dauerhaft mit Strom zu versorgen.
"Das Schöne an Bio-Batterien für elektrischen Aal ist, dass die Prinzipien, nach denen sie funktionieren, einfach sind und die geladenen Teilchen, die sich bewegen, um Strom zu erzeugen, leicht verfügbar sind - im Wesentlichen nur Ionen in Lösung wie in Tafelsalz -, die natürlich in unserem Körper vorkommen." sagt Harold Zakon, Professor für Neurowissenschaften an der University of Texas in Austin, der elektrische Aale studiert. "Da elektrische Organzellen durch die Bewegung von Ionen über Zellmembranen aufgeladen werden, müssten sie niemals an die Wand oder eine externe Stromquelle angeschlossen werden, sondern müssten auf die körpereigene Energie zurückgreifen, um sie aufgeladen zu halten."
