Alam memang memberikan banyak inspirasi kepada manusia untuk menciptakan alat-alat canggih nan bisa membantu kehidupan menjadi lebih baik. Jauh sebelum Benjamin Franklin menemukan listrik, di alam sudah ada makhluk hidup yang memproduksi listrik sendiri. Tapi tentu saja untuk kepentingan sendiri, tidak untuk tujuan komersialiasasi. Wkwkwk. Yap, organisme itu adalah knifefish Electrophorus electricus (yang umumnya dikenal sebagai belut listrik). Sengatannya cukup aduhai untuk bisa membuat kita kejang-kejang hingga meninggal.
Bertahun-tahun manusia hanya bisa termangu dan tak bisa mengerti bagaimana caranya makhluk ini bisa menghasilkan listrik, bahkan tanpa perlu di-charge alias self-charging, yang artinya listriknya bisa ia produksi sesuka hati. Gak perlu colokan, gak perlu adaptor, gak perlu power bank.
Hingga suatu ketika, beberapa bulan yang lalu (Desember 2017), beberapa orang peneliti mempublish hasil risetnya yang terinspirasi dari belut listrik ini untuk menghasilkan alat tiruan yang bisa menghasilkan listrik yang mereka namai sebagai hydrogel atau elektrosit. Mekanismenya benar2 meniru si belut listrik meski dalam bentuk yang tidak sempurna atau perfek seperti si belut listrik menghasilkan listriknya.
Bertahun-tahun manusia hanya bisa termangu dan tak bisa mengerti bagaimana caranya makhluk ini bisa menghasilkan listrik, bahkan tanpa perlu di-charge alias self-charging, yang artinya listriknya bisa ia produksi sesuka hati. Gak perlu colokan, gak perlu adaptor, gak perlu power bank.
Hingga suatu ketika, beberapa bulan yang lalu (Desember 2017), beberapa orang peneliti mempublish hasil risetnya yang terinspirasi dari belut listrik ini untuk menghasilkan alat tiruan yang bisa menghasilkan listrik yang mereka namai sebagai hydrogel atau elektrosit. Mekanismenya benar2 meniru si belut listrik meski dalam bentuk yang tidak sempurna atau perfek seperti si belut listrik menghasilkan listriknya.
Penelitian itu di publish di Jurnal Ilmiah Nature. Untunglah ada sci-hub yang membuat jurnal ini dengan sekejap bisa dibaca secara gratis. Bagi yang mau kopiannya bisa pm ane ya. Sambil silaturahim.
Ide dan gagasan unik ini dikembangkan oleh Para peneliti di Universitas Adolphe Merkle Institute (AMI) Universitas Michigan, Universitas Michigan, dan Universitas California San Diego yang secara ulet dan tekun menerima tantangan itu, tantangan untuk membuat alat serupa dengan mekanisme yang ada dalam tubuh belut listrik itu.
Integrasi teknologi yang berkelanjutan ke dalam organisme hidup membutuhkan beberapa bentuk sumber daya yang biokompatibel, fleksibel, dan mampu menarik energi dari dalam sistem biologis. Karena kalau kita bisa menghasilkan listrik di dalam tubuh sendiri, hal ini akan menghilangkan kebutuhan untuk operasi penggantian dalam beberapa kasus dan juga dapat memberikan daya yang berkelanjutan untuk perangkat yang dapat dikenakan seperti lensa kontak yang aktif secara elektrik dengan layar yang terintegrasi.
Nah, inti dari riset ini sebetulnya adalah ingin membuat (sedikit) kemajuan menuju integrasi teknologi berbasis organisme hidup yang membutuhkan sumber daya listrik yang biokompatibel, fleksibel secara mekanis, dan mampu memanfaatkan energi kimia yang tersedia di dalam sistem biologis. Kalo kita perhatikan, baterai konvensional yang kita gunakan sekarang ini tidak dirancang dengan mempertimbangkan kriteria ini. Jadi, teknologi yang disebut sebagai bio-battery ini tentu saja akan merevolusi beberapa segi atau aspek dari kehidupan kita dalam melihat masalah energi terbarukan, di bidang medis dan kedokteran, serta di bidang-bidang lainnya yang berkaitan.
Organ listrik dari belut listrik ini, bagaimanapun, merupakan contoh dari sumber daya listrik yang beroperasi dalam konstrain biologis yang menampilkan karakteristik daya yang mencakup beda potensial hingga mencapai 600 volt dengan arus 1 ampere.
"Isi Jurnalnya"
Di jurnal tersebut diperkenalkan konsep daya yang terinspirasi belut listrik yang menggunakan gradien ion antara kompartemen hidrogel polyacrylamide miniatur yang dibatasi oleh susunan yang berulang dari membran hidrogel kation dan anion-selektif. Sistem ini menggunakan scalable stacking atau geometri lipat yang menghasilkan 110 volt di bagian open sirkuit atau 27 miliwatt per meter persegi per sel gel secara simultan, aktivasi kontak mekanis terjadi secara otomatis dari ribuan kompartemen gel yang dipasang secara seri ini mengakibatkan bisa terhindarkan dari disipasi daya sebelum kontak. (sejujurnya karena ane bukan anak listrik, agak kurang paham di bagian ini, kalo ada kaskuser yang ngerti listrik boleh lah dibagi pengetahuannya di komentar yaaak).
Tidak seperti baterai biasa, sistem ini lunak, fleksibel, transparan, dan berpotensi sangat biokompatibel (cocok untuk dipasangkan ke makhluk hidup). Karakteristik ini menunjukkan bahwa organ listrik buatan ini nantinya dapat digunakan untuk menyalakan bahan implan seperti alat pacu jantung, sensor implantable, atau perangkat prostetik dalam hibrida sistem organisme dan non-organisme. Karena bahannya berasal dari bio atau organisme, maka tidak akan berbahaya untuk tubuh manusia.
Setiap komponen dari sumber listrik ini terbuat dari hidrogel, berupa paket polimer yang tampak padat yang mengandung air dan dapat mengalirkan ion garam (mirip-mirip jembatan garam di pelajaran kimia SMA ketika membahas bab elektrokimia kalau agan masih inget). Komponen-komponen ini dapat dirakit pada lembaran plastik bening dengan menggunakan printer 3D komersial. Seperti si belut, sumber daya ini dirancang dengan kompartemen individu dengan kapasitas kecil, sehingga tegangannya harus dipicu pada saat yang bersamaan. Kalo di Belut, doi melakukan ini dengan sistem sarafnya, nah sementara para peneliti ini mensiasati hal tersebut secara efisien dengan mengalirkan semua sel ke dalam kontak secara bersamaan, yaitu dengan menggunakan strategi lipat dari lembar cetak yang awalnya dikembangkan untuk membuka panel surya di ruang angkasa.
Tidak seperti baterai biasa, sistem ini lunak, fleksibel, transparan, dan berpotensi sangat biokompatibel (cocok untuk dipasangkan ke makhluk hidup). Karakteristik ini menunjukkan bahwa organ listrik buatan ini nantinya dapat digunakan untuk menyalakan bahan implan seperti alat pacu jantung, sensor implantable, atau perangkat prostetik dalam hibrida sistem organisme dan non-organisme. Karena bahannya berasal dari bio atau organisme, maka tidak akan berbahaya untuk tubuh manusia.
Setiap komponen dari sumber listrik ini terbuat dari hidrogel, berupa paket polimer yang tampak padat yang mengandung air dan dapat mengalirkan ion garam (mirip-mirip jembatan garam di pelajaran kimia SMA ketika membahas bab elektrokimia kalau agan masih inget). Komponen-komponen ini dapat dirakit pada lembaran plastik bening dengan menggunakan printer 3D komersial. Seperti si belut, sumber daya ini dirancang dengan kompartemen individu dengan kapasitas kecil, sehingga tegangannya harus dipicu pada saat yang bersamaan. Kalo di Belut, doi melakukan ini dengan sistem sarafnya, nah sementara para peneliti ini mensiasati hal tersebut secara efisien dengan mengalirkan semua sel ke dalam kontak secara bersamaan, yaitu dengan menggunakan strategi lipat dari lembar cetak yang awalnya dikembangkan untuk membuka panel surya di ruang angkasa.
Para peneliti ini memulai proses "peniruan" alat terhadap belut listrik ini dengan melakukan reverse-engineering pada organ listrik belut listrik guna mempelajari mekanismenya secara detail. Itu adalah salahsatu teknik rekayasa untuk membalik prosesnya gan.
Nah dari hasil reverse-engineering tersebut, diketahui ternyata organnya itu terdiri dari sel-sel panjang dan tipis yang dikenal sebagai electrocytes yang membentang 80% dari tubuh belut di tumpukan parallel (lihat gambar a dibawah). Dipicu oleh otaknya, sel-sel ini masing-masing menghasilkan tegangan kecil yang hampir bersamaan yang memungkinkan ion natrium mengalir ke satu sisi sel dan ion kalium akan mengalir ke sisi lain dari sel (ion natrium dan kalium ini terdapat di dalam tubuh belut dalam konsentrasi tertentu sebagai bagian dari cairan didalam tubuhnya). Tegangan yang dihasilkan di sepanjang tumpukan sel-sel ini terus meningkat bahkan hingga potensial yang jauh lebih besar, yaitu hingga 600 volt. Cukup buat ngehidupin dapur kita Gan kalo sedang mati listrik. wkwkwk
Tim peneliti ini dipimpin oleh Profesor Biofisika di AMI, yaitu Michael Mayer, yang mulai merancang sumber listrik karena terinspirasi dari belut listrik ini yang bisa menghasilkan listrik berdasarkan perbedaan salinitas (kadar garam yang dalam hal ini adalah konsentrasi natrium dan kalium) antara kompartemen air tawar dan air asin yang dipisahkan oleh selaput ion-selektif. Lalu doi juga mengatur kompartemen dan membran ini dalam susunan yang berulang (tumpukannya hingga ratus-an tumpuk), seperti baterai yang ada di senter, yang memungkinkannya untuk menghasilkan 110 volt hanya dari garam dan air.
Hasilnya memang masih jauh dari efisiensi dan efektifitas sempurna dari kapasitas belut listrik, atau boleh dibilang, alatnya memang tidak bener2 mirip dengan tubuh belut listrik yang ajib itu. Tapi ini menjadi terobosan tersendiri dalam teknologi bio-battery atau sumber listrik bebasiskan organisme hidup.
Menurut Mayer, tantangan utama adalah bagaimana caranya untuk memasukkan energi metabolis tubuh, misalnya dengan memobilisasi perbedaan ion di zona seperti cairan perut, atau dengan mengubah energi otot mekanik menjadi energi listrik, yang kemudian dapat disimpan dan dilepaskan dari organ listrik buatan. Ane kurang paham juga arah pengembangan riset ini yang kalo menerka2 dari komentarnya Pakde Mayer ini, nantinya alat ini bisa dipasang di organ tubuh manusia untuk alat pacu jantung gitu (mungkin untuk orang-orang yang lemah hatinya, eh jantungnya). Jadi, jangan dibayangkan nanti manusia bisa menghasilkan listrik sendiri dari tubuhnya, itu mah terlalu ketinggian khayalnya.
Begini detail jelasnya bagaimana mereka membuat electrositdan hydrogel ini, sebagai berikut :
"Detail prosesnya"
Dari sudut pandang rekayasa sumber daya listrik untuk operasi dalam organisme hidup, organ listrik Electrophorus memberikan contoh yang menarik dari segi anatomi dan fisiologinya yang khusus (Gambar a dibawah), organnya menggunakan ribuan membran padat, sangat selektif dan saluran ion aktuatable untuk menghasilkan tegangan dan arus besar.
organ listrik menggunakan komponen yang tahan lama dan dapat digunakan serta proses fabrikasi otomatis dan skalabel. Organ listrik buatan ini mampu menghasilkan perbedaan potensial lebih dari 100 V dengan menerapkan tiga fitur unik dari organ listrik Electrophorus.
Yang pertama dari fitur yang berevolusi ini dalam organ listrik belut adalah pengaturan ribuan gradien ion secara seri dengan menumbuhkan sel aktif yang panjang dan tipis yang dikenal sebagai electrocytes dalam tumpukan paralel yang membentang 80% di bagian belakang tubuh belut (Gambar a, b).
Membran anterior dan posterior electrocytes ini terikat, bagian atas dan bawah, dengan mengisolasi jaringan ikat, dan berfungsi sebagai membran terpisah dengan selektivitas untuk dua ion yang berbeda sehingga potensi transeluler di kedua membran secara seri.
Gambar b menggambarkan mekanisme yang menghasilkan perbedaan potensial dan pelepasan listrik dalam elektroksit ketika kondisi istirahat atau diam dan menembakan listriknya : dalam keadaan istirahat, potensi membran anterior dan posterior bisa membatalkan satu sama lain. Sebaliknya, selama impuls terjadi, membran posterior akan terdepolarisasi untuk menghasilkan total potensi transeluler sekitar 150 mV (Gambar b). Belut listrik menumpuk ribuan electrocytes secara seri untuk dapat menghasilkan perbedaan potensial lebih dari 600 V. susunan paralel beberapa tumpukan memungkinkan arus puncak yang mendekati 1 A pada arus pendek.
Organ listrik buatan yang dicetak, yaitu gambar a samping kanan dibawah ini, terdiri dari hidrogel merah yang dipolimerisasi dari monomer netral dan mengandung NaCl pekat; Gel hijau adalah salurannya. VOC adalah tegangan pada rangkaian terbuka. Di gambar b, diperlihatkan mMekanisme pembangkitan tegangan pada electrocytes. Membran posterior masing-masing sel dipersarafi dan padat dengan tegangan Na yang dipolimerisasikan dari monomer bermuatan negatif dan kation-selektif; saluran itu sendiri merupakan membran anterior yang tidak diinervasi dan memiliki proyeksi papillar memanjang ke kompartemen ekstraseluler yang meningkatkan luas permukaannya. Dalam keadaan istirahat, saluran K akan terbuka di kedua membran sehingga menghasilkan potensi transmembran yang sama dan berlawanan sebesar -85 mV, sehingga total potensi transelulernya adalah nol (gambar b bagian atas). Selama impuls, saluran Na di membran posterior akan membuka dan saluran K menutup sebagai respons terhadap sinyal saraf, sehingga menghasilkan potensial aksi +65 mV dari perubahan yang dihasilkan dalam permeabilitas relatif terhadap Na dan K ion. gel biru dipolimerisasi dari monomer netral dan mengandung NaCl encer; sementara gel kuning dipolimerisasi dari monomer bermuatan positif dan bersifat anion-selektif.
Di gambar d, diperlihatkan mekanisme pembangkitan tegangan pada organ listrik buatan ini. Ketika gel tidak kontak, tidak ada tegangan yang teramati (atas). Kontak mekanis (bawah) menyatukan urutan gel sehingga gradien ionik saling terhubung melintasi membran selubung arus bolak-balik, menghasilkan potensi di setiap membran yang bertambah dan dapat ditumpuk dalam serangkaian ribuan gel.
(gambar b)
Untuk menghasilkan organ listrik buatan, kita meniru anatomi belut dengan menggunakan empat komposisi hidrogel sebagai analog dari empat komponen utama elektrosit, yaitu membrannya dengan selektivitas ion yang berbeda pada sisi anterior dan posterior dan intraseluler dan ekstraselulernya. kompartemen garam (gambar b).
Gambar c dan d mengilustrasikan bahwa, setelah inisiasi kontak terjadi, unit pengulangan tetramerik dari hidrogel salinitas tinggi, gel kation-selektif, gel salinitas rendah, dan gel anion-selektif secara berurutan akan membentuk jalur konduktif ionik, membentuk gradien elektrolit di antara puluhan hingga ribuan kompartemen permeabel selektif. Dengan menggunakan prinsip elektrodialisis terbalik, masing-masing "sel gel tetramerik" ini menghasilkan 130–185 mV pada sirkuit terbuka (Gambar d), nilai yang sebanding dengan potensial yang dihasilkan oleh satu electrocyte.
Gambar 2 d diatas mengilustrasikan bahwa perbedaan potensial yang timbul dari 2.449 gel yang ditumpuk secara seri ditambahkan secara linier bisa mencapai 110 V.
Fitur berevolusi kedua dalam organ belut listrik memastikan eksitasi bersamaan dari electrocytes di sepanjang bagian organnya, yang dapat melebihi satu meter panjangnya. Karena sinyal-sinyal saraf tidak berjalan cukup cepat untuk mengaktifkan semua electrocytes secara bersamaan dalam durasi discharge (sekitar 2 ms), belut listrik memastikan pengiriman sinyal yang sinkron dengan memperlambat kedatangan impuls-impuls neural ke bagian-bagian organ yang paling dekat dengan inti komando. Rumit juga kan ya Gan. J
Organ listrik buatan ini nantinya membutuhkan aktivasi simultan di banyak gel untuk menghindari disipasi energy.
Gambar 2 menunjukkan dua strategi perakitan organ listrik buatan, satu berdasarkan fluidics dan yang lainnya berdasarkan pencetakan permukaan. Implementasi fluidic secara otomatis akan menghasilkan dan memposisikan serangkaian gel secara berurutan menggunakan dispenser cairan yang dapat diprogram.
Dalam konfigurasi ini, para peneliti itu menyiapkan organ listrik buatan yang berjumlah maksimum 41 gel (Gambar 2d), dan diperlihatkan bahwa tiga kolom gel secara paralel akan mengalirkan arus dan daya tiga yang diharapkan.
Perakitan fluidic otomatis ini akan memungkinkan untuk mengisi perangkat secara paralel dan memungkinkan pembentukan organ buatan yang dibundel, sehingga arus dan dayanya dengan skala tertentu akan disesuaikan dengan jumlah kolom gel, analog dengan kolom electrocyte paralel pada belut.
organ listrik menggunakan komponen yang tahan lama dan dapat digunakan serta proses fabrikasi otomatis dan skalabel. Organ listrik buatan ini mampu menghasilkan perbedaan potensial lebih dari 100 V dengan menerapkan tiga fitur unik dari organ listrik Electrophorus.
(Gambar 1. Morfologi dan mekanisme kerja organ listrik belut dan organ listrik buatan. Di tubuh belut listrik, terdiri dari Inset atas yang menunjukkan pengaturan electrocytes dalam organ listriknya. Sementara Inset bawah menunjukkan fluks ion dalam penembakan dan potensi transselular total di kedua membran + 150 mV)
Yang pertama dari fitur yang berevolusi ini dalam organ listrik belut adalah pengaturan ribuan gradien ion secara seri dengan menumbuhkan sel aktif yang panjang dan tipis yang dikenal sebagai electrocytes dalam tumpukan paralel yang membentang 80% di bagian belakang tubuh belut (Gambar a, b).
Membran anterior dan posterior electrocytes ini terikat, bagian atas dan bawah, dengan mengisolasi jaringan ikat, dan berfungsi sebagai membran terpisah dengan selektivitas untuk dua ion yang berbeda sehingga potensi transeluler di kedua membran secara seri.
Gambar b menggambarkan mekanisme yang menghasilkan perbedaan potensial dan pelepasan listrik dalam elektroksit ketika kondisi istirahat atau diam dan menembakan listriknya : dalam keadaan istirahat, potensi membran anterior dan posterior bisa membatalkan satu sama lain. Sebaliknya, selama impuls terjadi, membran posterior akan terdepolarisasi untuk menghasilkan total potensi transeluler sekitar 150 mV (Gambar b). Belut listrik menumpuk ribuan electrocytes secara seri untuk dapat menghasilkan perbedaan potensial lebih dari 600 V. susunan paralel beberapa tumpukan memungkinkan arus puncak yang mendekati 1 A pada arus pendek.
Organ listrik buatan yang dicetak, yaitu gambar a samping kanan dibawah ini, terdiri dari hidrogel merah yang dipolimerisasi dari monomer netral dan mengandung NaCl pekat; Gel hijau adalah salurannya. VOC adalah tegangan pada rangkaian terbuka. Di gambar b, diperlihatkan mMekanisme pembangkitan tegangan pada electrocytes. Membran posterior masing-masing sel dipersarafi dan padat dengan tegangan Na yang dipolimerisasikan dari monomer bermuatan negatif dan kation-selektif; saluran itu sendiri merupakan membran anterior yang tidak diinervasi dan memiliki proyeksi papillar memanjang ke kompartemen ekstraseluler yang meningkatkan luas permukaannya. Dalam keadaan istirahat, saluran K akan terbuka di kedua membran sehingga menghasilkan potensi transmembran yang sama dan berlawanan sebesar -85 mV, sehingga total potensi transelulernya adalah nol (gambar b bagian atas). Selama impuls, saluran Na di membran posterior akan membuka dan saluran K menutup sebagai respons terhadap sinyal saraf, sehingga menghasilkan potensial aksi +65 mV dari perubahan yang dihasilkan dalam permeabilitas relatif terhadap Na dan K ion. gel biru dipolimerisasi dari monomer netral dan mengandung NaCl encer; sementara gel kuning dipolimerisasi dari monomer bermuatan positif dan bersifat anion-selektif.
Di gambar d, diperlihatkan mekanisme pembangkitan tegangan pada organ listrik buatan ini. Ketika gel tidak kontak, tidak ada tegangan yang teramati (atas). Kontak mekanis (bawah) menyatukan urutan gel sehingga gradien ionik saling terhubung melintasi membran selubung arus bolak-balik, menghasilkan potensi di setiap membran yang bertambah dan dapat ditumpuk dalam serangkaian ribuan gel.
(gambar b)
Untuk menghasilkan organ listrik buatan, kita meniru anatomi belut dengan menggunakan empat komposisi hidrogel sebagai analog dari empat komponen utama elektrosit, yaitu membrannya dengan selektivitas ion yang berbeda pada sisi anterior dan posterior dan intraseluler dan ekstraselulernya. kompartemen garam (gambar b).
(gambar c dan d)
Gambar c dan d mengilustrasikan bahwa, setelah inisiasi kontak terjadi, unit pengulangan tetramerik dari hidrogel salinitas tinggi, gel kation-selektif, gel salinitas rendah, dan gel anion-selektif secara berurutan akan membentuk jalur konduktif ionik, membentuk gradien elektrolit di antara puluhan hingga ribuan kompartemen permeabel selektif. Dengan menggunakan prinsip elektrodialisis terbalik, masing-masing "sel gel tetramerik" ini menghasilkan 130–185 mV pada sirkuit terbuka (Gambar d), nilai yang sebanding dengan potensial yang dihasilkan oleh satu electrocyte.
(gambar 2 d)
Gambar 2 d diatas mengilustrasikan bahwa perbedaan potensial yang timbul dari 2.449 gel yang ditumpuk secara seri ditambahkan secara linier bisa mencapai 110 V.
Fitur berevolusi kedua dalam organ belut listrik memastikan eksitasi bersamaan dari electrocytes di sepanjang bagian organnya, yang dapat melebihi satu meter panjangnya. Karena sinyal-sinyal saraf tidak berjalan cukup cepat untuk mengaktifkan semua electrocytes secara bersamaan dalam durasi discharge (sekitar 2 ms), belut listrik memastikan pengiriman sinyal yang sinkron dengan memperlambat kedatangan impuls-impuls neural ke bagian-bagian organ yang paling dekat dengan inti komando. Rumit juga kan ya Gan. J
Organ listrik buatan ini nantinya membutuhkan aktivasi simultan di banyak gel untuk menghindari disipasi energy.
Gambar 2 menunjukkan dua strategi perakitan organ listrik buatan, satu berdasarkan fluidics dan yang lainnya berdasarkan pencetakan permukaan. Implementasi fluidic secara otomatis akan menghasilkan dan memposisikan serangkaian gel secara berurutan menggunakan dispenser cairan yang dapat diprogram.
Dalam konfigurasi ini, para peneliti itu menyiapkan organ listrik buatan yang berjumlah maksimum 41 gel (Gambar 2d), dan diperlihatkan bahwa tiga kolom gel secara paralel akan mengalirkan arus dan daya tiga yang diharapkan.
Perakitan fluidic otomatis ini akan memungkinkan untuk mengisi perangkat secara paralel dan memungkinkan pembentukan organ buatan yang dibundel, sehingga arus dan dayanya dengan skala tertentu akan disesuaikan dengan jumlah kolom gel, analog dengan kolom electrocyte paralel pada belut.
Dan, beginilah bentuk atau penampakan dari alat ini :
Penampakan
Kecil-kecil cabe rawit.
"Terimakasih sudah membaca"
"Referensi dan bacaan lebih lanjut"
Artikel di Linkedin, electric Eels inspire bio-battery tech, by tom breuning
Jurnal Ilmiah nature, An Electric-Eel-inspired soft power source from stacked hydrogels, Mayer Michael, et all, December 2017.
Jurnal Ilmiah nature, An Electric-Eel-inspired soft power source from stacked hydrogels, Mayer Michael, et all, December 2017.
No comments:
Write comments