Человеческое ухо преобразует колебательные движения барабанной перепонки в электрохимические сигналы, которые затем передаются в мозг сетями нейронов. Ток для этих сигналов вырабатывается в глубине внутреннего уха. По сути, это природная батарея нашего слухового аппарата.
Своеобразный "батарейный отсек" расположен в улитке. Внутри неё − три канала, заполненных жидкостью. Причём два наружных наполнены перелимфой (жидкостью, богатой ионами натрия), а средний – эндолимфой, которая насыщена ионами калия.
Каналы разделены мембраной, клетки которой переправляют ионы натрия и калия. Процесс приводит к возникновению на мембране электрического напряжения. Именно оно и работает на усиление входящих звуковых сигналов.
Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) решили использовать этот естественный источник энергии для подпитки устройств, которые можно имплантировать в ухо.
Исследователи, работающие под руководством Ананфы Чандракасана (Anantha Chandrakasan), создали радиопередающий чип с очень низким энергопотреблением. Затем провели первые испытания изобретения на морских свинках. Эти животные были выбраны не случайно: их слуховой аппарат имеет большие сходства с человеческим.
Новое устройство успешно работало в течение всего эксперимента − на протяжении пяти часов, питаясь от электроэнергии, вырабатываемой во внутреннем ухе морских свинок. При этом чип передавал радиосигнал на частоте 2,4 гигагерца об электрическом потенциале внутри улитки каждые 40-360 секунд.
При проведении испытаний сам чип располагался снаружи, хотя его размеры (9×11 мм) вполне позволяли разместить его внутри уха животного.
В пресс-релизе MIT исследователи заключают, что напряжения, создаваемого природной батареей, недостаточно для бесперебойной работы чипа. Для функционирования устройства необходимо не только преобразовывать образующуюся энергию, но и накапливать заряд в конденсаторе.
Как только конденсатор полностью заряжается, он посылает радиосигнал на внешний приёмник. Процедура может занимать от 40 секунд до четырёх минут (в зависимости от наполнения "природной батареи"). Исходя из этих данных, учёные заключили, что устройство может быть использовано для оценки электрохимических свойств слухового аппарата каждой морской свинки.
Схема управления чипа также требует большего напряжения, чем может дать внутреннее ухо, как минимум на начальном этапе работы. Для её запуска необходим внешний радиоимпульс. Сразу после запуска схема способна обеспечивать себя питанием только за счёт ушной энергии.
При этом учёные полагают, что даже если бы батарея давала большее напряжение, для чипа всё равно можно было бы задействовать лишь её часть. Такие меры безопасности необходимы, чтобы гарантировать, что слух животного, а впоследствии и человека, не будет повреждён. Кстати, в ходе экспериментов слух ни одной морской свинки не пострадал.
Прежде чем дойдёт до практического применения подобных чипов человеком, пройдёт ещё несколько лет, отмечают разработчики. Но уже сейчас специалисты видят будущее своей технологии в биомедицинских датчиках для людей с нарушениями слуха или проблемами нарушения равновесия. Кроме того, устройство может быть переоборудовано для доставки в организм лекарственных препаратов, для кохлеарной имплантации и слуховых аппаратов.
Более подробно о новом устройстве рассказывает статья, опубликованная в журнале Nature Biotechnology.
