視覚の未来：科学者達が塩溶液で充電される柔軟な

角膜薄さの電池を開発

The Future of Vision: Scientists Develop Flexible Cornea – Thin Battery Charged by Saline Solution

By Nanyang Technological University

https://scitechdaily.com/ 2023.08.28

　シンガポールの南洋理工大学(NTUシンガポール)の研究者達は、人間の角膜と同じくらい薄い柔軟な電池を開発した。この革新的なエネルギー貯蔵装置は、生理食塩水に浸すと自動的に充電され、将来的にはスマート・コンタクトレンズに燃料を供給する可能性がある。

　スマート・コンタクトレンズは、角膜上に可視情報を表示できるハイテク・コンタクトレンズで、拡張現実にアクセスするために使用できる。現在の用途には、視力の矯正、着用者の健康状態の監視、糖尿病や緑内障などの慢性健康状態を持つ人々の病気の発見と治療が含まれる。将来的には、着用者が見たり聞いたりするすべてのものを記録し、クラウド・ベースのデータ貯蔵に送信するスマート・コンタクトレンズが開発される可能性がある。

　しかし、この将来の可能性に到達するには、電力を供給するための安全で適切な電池を開発する必要がある。既存の充電式電池は、金属を含むワイヤーまたは誘導コイルに依存しており、不快でユーザーに危険をもたらすため、人間の目に使用するのには適していない。

　NTUが開発した電池は生体適合性のある素材で作られており、リチウム・イオン電池やワイヤレス充電システムに含まれるようなワイヤーや有毒な重金属は含まれていない。電池には周囲の食塩水中のナトリウムおよび塩化物イオンと反応するグルコース・ベースのコーティングが施されており、電池に含まれる水は電気を生成するための「ワイヤー」または「回路」として機能する。

　人間の涙には低濃度のナトリウム･イオンとカリウム・イオンが含まれているため、電池に電力を供給することもできる。研究者達は、模擬引裂き溶液を使用して現在の電池をテストし、12時間の着用サイクル毎に電池の寿命がさらに1時間延長されることを示した。電池は、従来のように外部電源によって充電することもできる。

　この研究を主導したNTU電気電子工学部のLee Seok Woo助教授は、「この研究は、我々の涙でコンタクトレンズの電池を充電できるだろうかという単純な疑問から始まった。」と述べた。人間の汗によって電力を供給されるウェアラブル技術用の電池など、自己充電電池の同様の例もあった。

　「しかし、レンズ電池に関するこれまでの技術は、電池電極の片側が充電されていなかったため、完璧ではなかった。我々のアプローチは、酵素反応と自己還元反応の独自の組み合わせを通じて電池の両方の電極を充電できる。充電メカニズムに加えて、電気を生成するためにブドウ糖と水のみに依存しており、どちらも人間にとって安全であり、従来の電池と比較して廃棄時に環境への悪影響が少ない。」

　NTU電気電子工学部の研究員である共同筆頭著者のYun Jeonghun博士は次のように述べている。「スマート・コンタクトレンズの最も一般的な電池充電システムでは、レンズ内に金属電極が必要であるが、人間の複眼にさらされると有害である。一方、レンズに電力を供給する別のモードである誘導充電では、スマートフォンのワイヤレス充電パッドと同様に、電力を伝送するためにレンズ内にコイルが必要である。当社の涙液ベースの電池は、これら2つの方法が引き起こす2つの潜在的な懸念を解消すると同時に、スマート・コンタクトレンズの開発におけるさらなる革新のためのスペースを解放する。」

　生物医学およびナノスケール光学を専門とし、研究には関与していないNTU機械・航空宇宙工学部准教授のMurukeshan Vadakke Mathanは、研究チームが行った研究の重要性を強調して次のように述べた。「この電池は、人間の体内で自然に発生し、涙に含まれる塩化物イオンやナトリウム･イオンを動力源とするグルコース・オキシダーゼをベースとしているため、互換性があり、人間の使用に適している必要がある。それに加えて、スマート・コンタクトレンズ業界は、重金属を含まない薄型の生体適合性電池を探しており、この発明は業界の満たされていないニーズを満たすために開発をさらに進めるのに役立つ可能性がある。」

　研究チームは、NTUのイノベーションおよびエンタープライズ企業であるNTUitiveを通じて特許を申請した。彼等はまた、発明の商品化に向けて取り組んでいる。この研究結果は最近、「Nano Energy」誌に掲載された。

電流を流して泣いて下さい

　チームは、シミュレートされた人間の目を使用して発明を実証した。厚さ約0.5 mmの電池は、レンズ内に埋め込まれたデバイスが機能するため、基礎涙(眼球の上に薄い膜を形成する絶え間ない涙)と反応して電力を生成する。

　柔軟で平らな電池は、そのグルコース・オキシダーゼ・コーティングが涙中のナトリウムおよび塩化物イオンと反応するとき、還元と呼ばれるプロセスを通じて電気を放電し、コンタクトレンズ内で電力と電流を生成する。

　研究チームは、電池が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を実証した。これはスマート・コンタクトレンズに電力を供給するのに十分である。

　実験室テストでは、電池が最大200回充電および放電できることが示された。一般的なリチウム・イオン電池の寿命は、充電サイクル300～500回である。

　研究チームは、ユーザーが眠っている間に充電するには、ブドウ糖、ナトリウム、カリウム。イオンを多量に含む適切な溶液に電池を少なくとも8時間入れておくことを推奨している。

　NTU電気電子工学部の博士課程の学生である共同筆頭著者のMiss Li Zongkangは次のように述べている。「ワイヤレス電力伝送とスーパーキャパシタは高電力を供給するが、レンズ内のスペースが限られているため、それらの統合には大きな課題が生じる。電池とバイオ燃料電池を単一のコンポーネントに組み合わせることで、有線または無線コンポーネント用の追加スペースを必要とせず、電池自体を充電できる。さらに、コンタクトレンズの外側に電極が配置されているため、目の司会が妨げられることはない。」

　NTUチームは、電池が放電できる電流量を改善するためにさらなる研究を行う予定である。また、コンタクトレンズ会社数社と協力して技術を導入する予定である。