大量の汗をかき、次の瞬間には電気を発生させる、人間の体が発電機になる理由は何でしょうか?

最近の暑さは本当に暑いですね。

外に出るとすぐに汗が滴り落ちてきます。

ほとんどの人は「仕事に行きたくない」「仕事から帰りたくない」という状態です。

（仕事の行き帰りは暑いですからね！）

汗は発汗とも呼ばれ、汗腺から分泌される液体で、98%～99%が水で構成されています。人間などの高等動物は、外気温の上昇、激しい運動、神経の緊張などにより汗をかきます。

外気温の上昇や体内での熱産生の増加による熱刺激によって引き起こされる発汗を知覚性発汗といいます。発汗部位は広く分布しており、体のすべての部分の皮膚に及んでいますが、特に額、首、体幹の前面と背面、腰、手の甲、前腕に多く、続いて首、体幹の側面、四肢のほとんど、そして大腿部の内側と脇の下が続きます。手のひらと足は最も汗をかきにくい部分です。さらに、精神的な緊張も発汗を引き起こす可能性があります。発汗中枢は中枢神経系のさまざまな部分に分布しています。

汗には体温を下げ、皮膚を保護し、老廃物を体外に排出する働きがあります。しかし、汗腺が過剰に発達すると、人々に苦痛を与えることがよくあります。汗でベタベタした衣服は、人々に不快感を与えるだけでなく、「不快な」臭いを放つこともあります。

でも、ご存知ですか？実際、塩分を含んだ汗には、電気を生成するというもう一つの素晴らしい用途があります。

そうです、汗（愛ではありません）によって発電された電気です。

昨年、シンガポール国立大学の研究者らは、皮膚から汗を素早く蒸発させることができるナノ吸収性素材の薄膜を開発した。さらに巧妙なのは、水力発電技術を使用して人間の汗から水分を集め、時計やフィットネストラッカーなどのウェアラブル電子機器に電力を供給することです。

現在、マサチューセッツ大学アマースト校（UMass Amherst）の研究チームは、新しい発電バイオフィルムがウェアラブル電子機器業界に革命をもたらし、個人用医療センサーや個人用電子機器などに長期にわたる継続的な電力を供給すると予想していると述べています。

「水分の蒸発から電力を生成し、ウェアラブル機器に電力を供給する微生物バイオフィルム」と題された関連研究論文が、科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載された。

図｜バイオフィルム電気で駆動するセンサーを用いて、嚥下時に発生する機械的信号を計測します。

「これは非常にエキサイティングな技術だ」と、マサチューセッツ大学アマースト校工学部電気・コンピュータ工学博士課程の学生で、この論文の主執筆者であるシャオメン・リウ氏は語った。 「他のいわゆる『グリーンエネルギー』とは異なり、これは真のグリーンエネルギーです。」

論文によれば、紙一枚ほどの厚さのバイオフィルムは、細菌ジオバクター・サルファリデューセンス（G. サルファリデューセンス）の改変株によって自然に生成される。

これまでの研究では、科学者らはジオバクター・サルファリデューセンスを発電に利用し、電気機器に電力を供給する「微生物電池」にも使用してきたが、適切なケアと継続的な「給餌」が必要である。

対照的に、この新しいバイオフィルムは、同じサイズのバッテリーと同等かそれ以上のエネルギーを提供できるだけでなく、「給餌」を必要とせずに継続的に動作することもできます。

「このバイオフィルムははるかに効率的だ」と、マサチューセッツ大学アマースト校の微生物学の著名な教授で、論文の共同責任著者であるデレク・ラヴリー氏は述べた。 「私たちは、発電プロセスを簡素化するために必要な処理量を大幅に削減しました。バイオフィルム内で細胞を継続的に増殖させ、細胞の凝集を利用します。これにより、エネルギー入力が削減され、すべてがはるかに簡素化され、潜在的な用途が拡大します。」

図｜新バイオフィルムの実写真（左）と模式図（右）

では、生物の皮膚の水分を利用してエネルギーを生成する新しいバイオフィルムの原理は何でしょうか?

まず、ジオバクター・サルファリデューセンスは薄いマットのようなコロニーで成長し、各個体は一連の天然ナノワイヤによって他の個体とつながっています。次に、レーザーを使用してフィルムに小さな回路をエッチングします。次に、回路がエッチングされたフィルムを電極の間に配置し、柔らかく粘着性のある通気性のあるポリマーで密封します。最後に、エネルギーが収集され、小型デバイスに電力を供給するために変換されます。

「これは巨大な未開発のエネルギー源だ」とマサチューセッツ大学アマースト校の電気・コンピュータ工学教授で論文の共同責任著者であるジュン・ヤオ氏は語った。

暑いとき、特に暑い夏には、皮膚の表面は汗でいっぱいになりますが、新しいバイオフィルムは汗の蒸発によって発生したエネルギーを収集して変換し、小型デバイスに電力を供給することができます。

「電源供給は常にウェアラブル電子機器の制限要因の一つだった」とヤオ氏は語った。 「電池が切れると交換するか充電する必要があります。でも、かさばって使いにくいのです。」しかし、この透明で小さく、薄くて柔軟なバイオフィルムは、バンドエイドのように皮膚に直接貼り付けることができ、安定した電気を継続的に生成することができます。

図 |統合デバイスアレイは小型 LCD 画面に電力を供給します。

研究チームは今後の研究で、バイオフィルムのサイズを拡大し、より複雑な皮膚装着型電子機器に電力を供給することを計画している。 「次のステップは、フィルムのサイズを大きくして、より複雑な皮膚装着型電子機器に電力を供給すること、あるいは個々の機器ではなく電子システム全体に電力を供給することだ」と研究チームは述べた。

参考リンク:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6