Thiết bị cảm biến sử dụng điện năng từ hóa chất bên trong côn trùng

Một nhóm nghiên cứu do Daniel Scherson, giáo sư hóa học tại Đại học Case Western Reserve ở Ohio, Hoa Kỳ, dẫn đầu, đã phát triển một loại tế bào nhiên liệu sinh học có thể cấy vào cơ thể gián. Thiết bị này tạo ra điện từ những hóa chất vốn có sẵn bên trong cơ thể côn trùng, mở đường cho việc cung cấp năng lượng trực tiếp cho các thiết bị điện tử nhỏ gắn trên chúng. Kết quả nghiên cứu được đăng tải trực tuyến trên tạp chí của American Chemical Society, cho thấy cơ thể gián có thể trở thành nguồn năng lượng cho cảm biến, thiết bị ghi âm và hệ thống kiểm soát. Điểm đáng chú ý nằm ở khả năng kết hợp nguồn điện sinh học với những thiết bị kích thích tế bào thần kinh, qua đó hỗ trợ con người điều khiển chuyển động của côn trùng. Các cảm biến hoặc bộ kích thích hoạt động nhờ điện năng do chính những phản ứng hóa học bên trong cơ thể gián tạo ra, thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào pin bên ngoài. Công nghệ này biến một phần hóa năng trong cơ thể côn trùng thành dòng điện, đồng thời duy trì mục tiêu để gián tiếp tục bay nhảy và hoạt động bình thường. Chìa khóa của quá trình chuyển đổi là một hệ thống gồm nhiều enzyme đặt tại dương cực, nơi các chất đường trong cơ thể gián được xử lý theo từng bước. Enzyme đầu tiên phân giải trehalose, một loại đường được tạo ra liên tục từ thức ăn của gián, thành hai loại đường đơn giản hơn để tiếp tục tham gia phản ứng điện hóa. Trong thí nghiệm, một điện cực được cấy vào xoang bụng của gián cái, tiếp xúc với môi trường chứa những hóa chất cần thiết cho quá trình tạo điện. Sau bước phân giải ban đầu, enzyme thứ hai oxy hóa các đường đơn, đồng thời giải phóng những electron có thể được thu nhận để hình thành dòng điện. Các electron di chuyển về phía âm cực, nơi xảy ra phản ứng oxy hóa khử với oxy lấy từ không khí, cuối cùng tạo ra nước trong quá trình điện hóa. Cấu tạo hệ tuần hoàn hở của côn trùng giúp quá trình này diễn ra mà không phải chịu áp lực tuần hoàn máu cao như ở nhiều động vật có hệ tuần hoàn kín. Để xác định lượng điện mà tế bào nhiên liệu có thể cung cấp, nhóm nghiên cứu sử dụng một ổn áp nhằm kiểm soát điều kiện đo và đánh giá đầu ra ổn định. Kết quả cho thấy công suất đạt gần 100 microwatt trên mỗi centimet vuông, với điện áp khoảng 0,2 volt trong điều kiện thí nghiệm được công bố. Cường độ dòng điện tối đa đạt khoảng 450 microampere trên mỗi centimet vuông, mức đủ đáng chú ý đối với những thiết bị cảm biến nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp. Những con số này chưa biến gián thành nguồn điện lớn, nhưng cho thấy hóa chất trong cơ thể côn trùng có thể vận hành các linh kiện điện tử thu nhỏ. Nhóm nghiên cứu hiện tiếp tục tìm kiếm vật liệu phù hợp hơn để chế tạo tế bào nhiên liệu cấy ghép cùng thiết bị phát tín hiệu tiêu thụ ít năng lượng. Hệ thống tương lai còn có thể kết hợp pin sạc lại, cho phép tích lũy điện trong thời gian dài trước khi cung cấp năng lượng cho hoạt động tiếp theo. Thách thức quan trọng là bảo đảm các bộ phận cấy ghép không làm cản trở khả năng di chuyển, bay nhảy hoặc duy trì hoạt động bình thường của côn trùng. Nếu giải quyết được yêu cầu đó, gián có thể mang theo cảm biến mà không cần thường xuyên thay pin hoặc được nối với nguồn điện từ bên ngoài. Một kịch bản được nghiên cứu là trang bị cảm biến cho côn trùng để đo lượng khí độc hại trong một căn phòng có môi trường khó tiếp cận. Dữ liệu thu thập từ cảm biến có thể được truyền qua sóng vô tuyến, giúp con người theo dõi tình trạng không khí mà không phải trực tiếp bước vào khu vực nguy hiểm. Trong mô hình này, pin có thể tự nạp điện trong nhiều giờ, sau đó tiếp tục cung cấp năng lượng cho cảm biến và bộ truyền tín hiệu khi cần thiết. Nghiên cứu của Daniel Scherson cùng các đồng nghiệp cho thấy cơ thể côn trùng không chỉ là đối tượng sinh học, mà còn có thể trở thành nền tảng năng lượng cho công nghệ siêu nhỏ.