El cuerpo humano promedio gasta aproximadamente el equivalente a 800 baterías AA de energía por día. Pero el eficiencia mecánica del cuerpo Se estima que sólo entre el 15 y el 30 por ciento, lo que significa que la mayor parte de la energía que obtenemos de los alimentos se libera en forma de calor.
Al mismo tiempo, los seres humanos necesitan cada vez más una fuente de energía segura y confiable para el creciente arsenal de dispositivos implantables que los investigadores están desarrollando para mejorar y salvar vidas. En la actualidad, los marcapasos cardíacos, los desfibriladores implantables, los neuroestimuladores, los sistemas de administración de fármacos y los generadores de crecimiento óseo dependen principalmente de baterías de iones de litio, pero éstas deben reemplazarse quirúrgicamente cuando se agotan, con el riesgo de infección o fugas que pueden dañar a los pacientes y costar dinero.
Para resolver el problema, investigadores de todo el mundo están trabajando para desarrollar generadores implantables que recolectarán energía de nuestros cuerpos y esperan que alimenten una nueva generación de dispositivos.
Cosecha de energía en el cuerpo
Puede parecer un cruce de ciencia ficción entre la matriz y el viaje fantástico, pero los recolectores de energía implantables y miniaturizados han estado en el horizonte desde hace algún tiempo. Los dispositivos se basan en los mismos métodos térmicos, cinéticos y químicos que utilizamos en la producción de energía en general.
Dado que nuestros cuerpos desperdician tanta energía como calor, los generadores termoeléctricos implantables (TEG) han sido de particular interés. Al igual que otros TEG, estos funcionarían convirtiendo la diferencia de temperatura entre una superficie fría y caliente en electricidad, pero existen desafíos.
«El desarrollo de TEG implantables implica equilibrar factores cruciales como la biocompatibilidad, la hermeticidad, la miniaturización y la capacidad de fabricación, siendo la biocompatibilidad la prioridad absoluta», dice Yongchen Rao de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Jade en Alemania, que trabaja en estos generadores. “Estos factores pueden tener demandas contradictorias. Por ejemplo, si bien el titanio ofrece un sellado hermético excelente, su alta conductividad térmica reduce la eficiencia del TEG”.
Debido a que la diferencia de temperatura entre dos lados de un generador en miniatura dentro del cuerpo sería especialmente pequeña, también existen preocupaciones sobre cuanto poder podría proporcionar. Esto es algo que Rao y sus colegas esperan superar.
«Los futuros avances en materiales termoeléctricos, como opciones biocompatibles con mayor eficiencia, o avances en la tecnología de envasado, podrían aumentar significativamente el rendimiento de los TEG implantables», afirma.
Generadores portátiles
La idea de generadores portátiles que produzcan electricidad a partir de la flexión de músculos o la flexión de extremidades existe desde hace algún tiempo. Pero en 2018, los investigadores John Zhang y sus colegas de la Escuela de Ingeniería Thayer de Dartmouth desarrollaron un prototipo de generador que utilizaba un diseño en voladizo para producir electricidad a partir de los latidos del corazón humano y demostraron el potencial del dispositivo para alimentar un marcapasos.
“Este estudio implica «Se puede convertir suficiente energía eléctrica a partir de la energía cinética de un marcapasos, especialmente a bajas frecuencias, para mantener las operaciones», dijo Zhang en el estudio.
Ese no es el único intento que han hecho los investigadores para aprovechar la energía del corazón. En 2011, Alois Pfenniger y sus colegas de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna (Suiza) desarrollaron una turbina en miniatura diseñada para caber dentro de una arteria humana y generar energía a partir del flujo de sangre, de forma muy similar a como lo hace un generador hidroeléctrico con agua.
En ensayos que utilizaron tubos diseñados para imitar arterias, Pfenniger y sus colegas pudieron generar alrededor de 800 microvatios de electricidad, sustancialmente más que el 10 microvatios necesaria para alimentar un marcapasos. Sin embargo, existía cierta preocupación de que cualquier dispositivo que ralentizara el flujo de sangre pudiera darle la oportunidad de coagularse, lo que podría provocar coágulos sanguíneos peligrosos.
También hay esfuerzos para generar electricidad a partir de la energía química del cuerpo. A principios de este año, un equipo dirigido por Xizheng Liu de la Universidad Tecnológica de Tianjin en China probó con éxito una batería autocargable implantable que utiliza una aleación a base de sodio como ánodo y oxígeno procedente de fluidos corporales como cátodo. Al implantar la batería en el lomo de ratas, descubrieron que era a la vez estable y biocompatible.
«Nuestra batería de Na-O2 revoluciona el concepto de baterías implantables», dijeron Xizheng Liu y sus compañeros.
Aprovechando el poder interior
Si bien nuestros cuerpos generan cantidades significativas de energía, no se puede permitir que cualquier dispositivo destinado a aprovecharla interfiera con nuestras funciones cotidianas. Esto significa que, en el mejor de los casos, sólo podemos esperar cosechar milivatios, pero eso sigue siendo suficiente para alimentar muchos de los dispositivos implantables que se utilizan hoy en día.
La ciencia de los implantes recolectores de energía se encuentra todavía en sus primeras etapas. Pero el desarrollo constante de nuevos materiales y diseños probablemente mejorará la eficiencia y la biocompatibilidad de los generadores hasta el punto de que eventualmente extraeremos energía de nuestros cuerpos tanto para implantes como para dispositivos portátiles.
“[These generators] «Tienen un potencial significativo debido al auge del Internet de las cosas (IoT) y la creciente demanda de dispositivos médicos implantables de larga duración impulsada por el envejecimiento de la población», afirma Rao.
Sin embargo, cuando eso suceda, es concebible que no sólo estemos alimentando dispositivos médicos simples con estos generadores, sino también todo tipo de sensores, interfaces, dispositivos in vitro y otros aumentos de biohacking.
Puede que sea un cliché, pero parece que realmente hay mucho que ganar aprovechando el poder interno.
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