Vücudumuz, kalbin atmasından akciğerlerin genişleyip daralmasına kadar pek çok hareket aracılığıyla sürekli enerji üretiyor. Bilim insanları, bu enerjiden yararlanarak elektronik cihazları çalıştırmanın yollarını araştırıyor. Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden (UMass Amherst) bir araştırma ekibi de canlı insan kalp hücreleriyle bütünleşebilen, esnek bir elektronik ağ geliştirerek vücudun mekanik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmeyi başardı.
Ağ tipi biyohibrit enerji hasatlayıcısı (biohybrid mesh harvester) adı verilen sistem, esnek bir ağ boyunca dağıtılmış çok sayıda küçük piezoelektrik jeneratörden oluşuyor. Canlı hücreler ağın içinden büyüyerek elektronik bileşenlerin çevresini sarıyor. Hücreler kasıldığında jeneratörleri deforme ediyor ve bu mekanik hareket elektrik üretiyor. Araştırma, Science Advances dergisinde yayımlandı.
Elektronik implantlar ve giyilebilir cihazlar, dünya genelinde yüz milyonlarca insanın yaşamını iyileştiren teknolojiler arasında yer alıyor. Koklear implantlar, biyonik protezler, nörostimülatörler, kalp implantları ve diyabet yönetim cihazlarının yanı sıra akıllı saatler ve akıllı yüzükler de bu alana dahil. Rock Health’in 2025 Tüketici Kullanımı Araştırması’na göre ABD’de yaklaşık 120 milyon yetişkin, yani yetişkin nüfusun yaklaşık yüzde 46’sı, akıllı saat ve akıllı yüzük gibi giyilebilir cihazlara sahip.
Bu cihazların önemli bir ortak sorunu ise pillere bağımlı olmaları. Piller yer kaplıyor, ağırlık ve sertlik ekliyor ve sonunda şarjlarını tüketiyor. Bir akıllı saati şarj etmek küçük bir zahmet olsa da tıbbi bir implantın pilini değiştirmek yeni bir ameliyat gerektirebiliyor; bu da maliyetleri ve tıbbi riskleri artırıyor. Daha küçük ve ince piller bu sorunların bir bölümünü azaltabilse de daha az enerji depoladıkları için cihazların çalışma süresini sınırlayabiliyor.
Bu nedenle bilim insanları, vücut ısısı ile çevre arasındaki sıcaklık farkından yararlanan termoelektrik jeneratörler ve mekanik hareketi elektriğe çeviren piezoelektrik jeneratörler gibi alternatif enerji kaynakları üzerinde çalışıyor. Yakın zamanda, kullanıcının hareketlerinden kaynaklanan dielektrik yükleri toplayabilen, basılabilir bir tekstil de geliştirildi. Özellikle piezoelektrik sistemler, vücut sürekli hareket halinde olduğu için tıbbi implantlarda kullanılmaya elverişli. Belirli piezoelektrik malzemeler sıkıştırıldığında veya gerildiğinde elektrik yükü oluşturuyor. Bu yöntem, hayvanların kalp atışlarıyla çalışan deneysel kalp pilleri de dahil olmak üzere çeşitli deneysel tıbbi implantlarda daha önce test edildi.
Hücrelerle bütünleşen bu ağ nasıl bir fark yaratıyor?
Geleneksel piezoelektrik enerji hasatlayıcıları genellikle canlı dokunun yüzeyine yerleştirilen bağımsız cihazlardan oluşuyor. Bu yaklaşımda elektronik bileşenlerle yumuşak ve esnek biyolojik dokuların mekanik özellikleri arasındaki fark, bütünleşmeyi zorlaştırıyor. Ayrıca enerji toplayıcılar çoğunlukla dokunun yalnızca yüzeyiyle temas ediyor ve hücre hareketleriyle etkileşimleri sınırlı kalıyor. Cihazların boyutunu veya sayısını artırmak da ek hacim ve mekanik kısıtlamalar yaratabiliyor.
UMass Amherst ekibi, canlı organizmalarda enerji üretiminin dokulara yayılmış olmasından esinlenerek farklı bir tasarım geliştirdi. İlk olarak sensörlerde ve eyleyicilerde yaygın kullanılan, mekanik deformasyon sonucunda elektrik yükü üreten bir piezoelektrik seramik olan kurşun zirkonat titanatın (PZT) küçük şeritlerini hazırladı. Ardından bu şeritleri ultra ince ve son derece esnek bir polimer ağa yerleştirerek birbirine bağlı enerji toplama birimleri oluşturdu.
Geleneksel, kesintisiz yüzeylerin aksine açık ağ yapısı, canlı hücrelerin içinden büyümesine ve gömülü elektronik bileşenlerle etkileşime girmesine olanak tanıyor. Araştırmacılar, sistemi insan kalp hücreleriyle kapladı. Hücreler zamanla ağın içine ve çevresine yayılarak gelişen dokuya elektronik ağı dahil etti. Böylece ortaya çıkan biyohibrit yapı, canlı hücrelerle birlikte hareket edip şekil değiştirebildi. Kalp hücreleri kasıldığında PZT şeritleri deforme oldu ve dokunun farklı noktalarında piezoelektrik etki yoluyla elektrik üretildi.
Araştırmanın temel yeniliği, enerji üretiminin tek bir noktada toplanması yerine çok sayıda küçük jeneratörün doku yapısına dağıtılması. Bu sayede sistem, biyolojik hareketlere uyum sağlayan esnekliğini korurken hücrelerle elektronik bileşenler arasındaki daha geniş bir etkileşim ağı üzerinden enerji toplayabiliyor. Araştırmacılar, elektronik bileşenlerle canlı doku arasındaki mekanik uyumsuzluğun azalmasının biyouyumluluğu da artırabileceğini düşünüyor.
Araştırmacılar: “Sistemin etkin enerji yoğunluğu, geleneksel ve merkezi enerji toplama yaklaşımlarına kıyasla on kattan fazla yüksek.”
Araştırmaya göre sistemin etkin enerji yoğunluğu, geleneksel ve merkezi enerji toplama yaklaşımlarına kıyasla on kattan fazla yüksek. Başka bir deyişle, cihazın etkin hacmi başına elde edilen enerji miktarında on katı aşan bir iyileşme gösterildi. Ağın ince ve esnek yapısı, birden fazla katmanın üst üste yerleştirilmesine de olanak tanıyor. Böylece cihazın hacmini önemli ölçüde artırmadan üretilen toplam elektrik miktarı yükseltilebilir ve enerji toplama kapasitesi farklı elektronik sistemlerin ihtiyaçlarına göre ayarlanabilir.
Teknolojinin gelecekte kalp pilleri, kalp izleme sistemleri, nörostimülatörler ve düşük güç tüketen diğer biyolojik sistemlerle bütünleşik elektronik cihazlarda kullanılması hedefleniyor. Ayrıca canlı dokuyla yakın temas halinde çalışan giyilebilir sensörlere ve diğer elektronik sistemlere enerji sağlamak için yeni yöntemlerin geliştirilmesine de ilham verebilir.
Araştırmanın kıdemli yazarı ve UMass Amherst Riccio Mühendislik Fakültesi doçenti Jun Yao, büyük piller içeren sistemlerin vücut tarafından reddedilme eğiliminde olduğunu, cihaz hücresel ölçekte tasarlandığında ise biyouyumluluğun önemli ölçüde iyileştiğini belirtiyor. Yao’ya göre sistemin öne çıkan özellikleri, vücuda müdahalesinin sınırlı olması ve enerji üretme potansiyeli.
Biyonik insan çağına doğru
Canlı dokuyla elektronik sistemleri bütünleştirmeye yönelik bu tür araştırmalar, gelecekte biyonik protezlerden tıbbi implantlara kadar pek çok teknolojinin gelişmesine katkı sağlayabilir. İnsan bedeninin hareketlerinden enerji üretebilen ve biyolojik dokuyla uyum içinde çalışabilen sistemler, insan ile makine arasındaki sınırların giderek daha flu hale gelmesinin önünü açabilir. Ancak biyohibrit ağ henüz laboratuvar aşamasında olduğundan, bu teknolojinin biyonik sistemlerde kullanılabilmesi için daha fazla araştırmaya ihtiyaç var.
Bu teknoloji henüz erken bir aşamada
Şimdiye kadar yalnızca laboratuvarda yetiştirilen kalp dokusu üzerinde gösterildi; canlı bir organizmada test edilmedi ve işlevsel bir tıbbi implantı tek başına çalıştırabildiği henüz ortaya konmadı. Uzun vadeli dayanıklılık, elektrik çıkışı ve biyouyumluluk gibi konuların da araştırılması gerekiyor. Özellikle kullanılan PZT malzemesinin kurşun içermesi, bu maddenin çevredeki canlı dokudan güvenli biçimde yalıtılmasını önemli hale getiriyor.
Araştırma, elektronik sistemlerin biyolojik dokularla bütünleştirilmesine yönelik umut vadeden bir temel sunsa da pil gerektirmeyen tıbbi cihazlara geçiş için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var.
