人間の“涙”で充電できるスマートコンタクトレンズ用の画期的なバッテリーが開発された

masapoco
投稿日 2023年8月26日 15:52
flexible battery for smart contact lenses

シンガポールの南洋理工大学(NTU)の研究者が、これまでにない画期的なスマートコンタクトレンズ用のバッテリーを開発した。この極薄のバッテリーは、なんと人間の“涙”によって充電することが可能だという。

先日、世界初のARスマートコンタクトレンズのテストがMojo Visionによって行われた。装着者の眼前の景色に、コンタクトレンズによって生成された映像を合成して表示させるその技術は、『電脳コイル』の世界を再現したような未来的な物ではあった。同社はその後、景気後退などによりスマートコンタクトレンズの夢を諦めてしまったようだが、研究自体は世界中の企業・研究機関によって続けられている。当然ながら、電子デバイスであるスマートコンタクトレンズは、レンズにバッテリーを内蔵する必要がある。

これまでのスマートコンタクトレンズは、誘導コイルと金属でできたワイヤーを備えた極薄のバッテリーを使用しており、これはユーザーの眼球に対するいくらかのリスクになっていた。NTU電気電子工学部(EEE)のLee Seok Woo助教授が率いる研究チームは今回、金属を一切使用しないバッテリーを考案した。

涙液発電バッテリーの仕組みは?

バッテリーは生体適合性のある素材でできており、グルコースをベースにしたコーティングが施されている。このコーティングは電池内の水中のナトリウムイオンや塩化物イオンと反応し、電気を発生させる回路として機能する。ナトリウムイオンと塩化物イオンは涙にも含まれているため、レンズを装着している間に充電されることになるのだ。

「この研究は単純な疑問から始まりました:コンタクトレンズの電池は涙で充電できるのだろうか?これまでのレンズ電池の技術は、電池の電極の片側が充電され、もう片側が充電されないという完璧なものではありませんでした。私たちのアプローチは、酵素反応と自己還元反応のユニークな組み合わせによって、電池の両電極を充電することができます。このアプローチではグルコースと水を使用するため、寿命が尽きた後も使用者や環境にとって安全なのです」と、Woo氏は説明する。

バッテリーはどれくらいのエネルギーを蓄えることができるのか?

バッテリーは1ミリよりも薄いため、最大の問題は、どれだけのエネルギーを充填でき、どれだけの時間使用できるかということである。この発明をテストするために、研究者たちは模擬眼球モデルを使った。

彼らの実験によると、バッテリーは45マイクロアンペアの電流と201マイクロワットの最大電力を生成できることがわかった。この電力量であれば、一日の大半をこの装置で過ごすことができる。

ここで涙による充電も役立つ。模擬涙液に浸しておくと、12時間使用するごとにバッテリー寿命がさらに1時間延びる。バッテリーを使用しないときは、グルコース、カリウム、ナトリウムイオンを多量に含む濃縮生理食塩水に浸して充電することができる。

研究チームは、このバッテリーが200回の充放電サイクルを繰り返せることを発見した。「ワイヤレス電力伝送とスーパーキャパシタは高い電力を供給するが、レンズ内のスペースが限られているため、これらの統合は大きな課題となっています。バッテリーとバイオ燃料電池をひとつの部品にまとめることで、有線または無線の部品を追加するスペースを必要とせずに、バッテリーはそれ自体を充電することができます。さらに、コンタクトレンズの外側に電極を配置することで、目の視界が妨げられることもありません」と、Woo氏は説明する。

研究チームは現在、バッテリーが放電できる電流の量を増やし、これを市場に出すためにコンタクトレンズ会社と提携することに取り組んでいる。これが実用化されれば、夢の技術の実現にまた一歩近付くかも知れない。


論文

参考文献

研究の要旨

医療用や個人用のアプリケーションとして開発されるスマートコンタクトレンズには、小型化された電源が必要であり、内蔵バッテリーが有望な選択肢となる。しかし、小型のウェアラブルデバイスでバッテリーを充電することは、小型化された有線接続や無線伝送ユニットを介して電力を伝送することが困難であるため、困難である。ここでは、コンタクトレンズに内蔵され、保存中にバイオ燃料によって充電される、安全な涙液型電池を開発する。グルコースオキシダーゼの酵素反応と導電性ポリマーの自己還元反応を利用して、それぞれ正極と負極を充電する。電極はコンタクトレンズに埋め込まれ、人工涙液中で放電された後、グルコース溶液中で生体反応により充電される(生体充電と呼ばれる)。このバイオ充電池は、放電容量45μA cm−2、最大出力201μW cm−2を示し、その性能は15サイクルにわたって検証された。このバイオ充電池は、外部電源による従来の充電も可能である。



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