सार:
मैसाचुसेट्स एमहर्स्ट विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक अति पतली, लचीली इलेक्ट्रॉनिक जाल डिवाइस विकसित की है जो जीवित मानव हृदय की मांसपेशियों की कोशिकाओं के साथ एकीकृत होती है और कोशिका संकुचन द्वारा उत्पन्न यांत्रिक गति को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। "बायोहाइब्रिड मेश हार्वेस्टर" नामक इस नए उपकरण से पेसमेकर, हृदय निगरानी उपकरण और न्यूरोस्टिम्यूलेटर जैसे कम-शक्ति वाले चिकित्सा प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों के लिए एक नई बिजली आपूर्ति विधि प्रदान करने की उम्मीद है, जो पारंपरिक बैटरियों के कारण होने वाली आकार, वजन और प्रतिस्थापन सर्जरी की समस्याओं को कम करेगी।
यह शोध परिणाम 7 अक्टूबर, 2026 को "साइंस एडवांसेज" पत्रिका में प्रकाशित हुआ था और हाल ही में इसने प्रौद्योगिकी मीडिया का ध्यान आकर्षित किया है। शोधकर्ताओं का कहना है कि नई प्रणाली का प्रभावी ऊर्जा घनत्व पारंपरिक केंद्रीकृत ऊर्जा संचयन उपकरणों की तुलना में दस गुना अधिक है। हालाँकि, वर्तमान परिणाम अभी भी प्रयोगशाला अनुसंधान चरण में हैं और जीवित जानवरों या मनुष्यों में सत्यापित नहीं किए गए हैं, न ही वे वास्तविक चिकित्सा प्रत्यारोपण उपकरण को स्वतंत्र रूप से चलाने में सिद्ध हुए हैं।
आधुनिक चिकित्सा इलेक्ट्रॉनिक उपकरण मरीजों के जीवन की गुणवत्ता में सुधार लाने में तेजी से महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। कॉकलियर इम्प्लांट, न्यूरोस्टिमुलेटर, कार्डियक इम्प्लांट और कुछ मधुमेह प्रबंधन उपकरणों को निरंतर और स्थिर बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है। स्मार्ट घड़ियाँ और स्मार्ट रिंग जैसे पहनने योग्य उपकरण भी चलने के लिए बैटरी पर निर्भर होते हैं। हालाँकि बैटरियाँ परिपक्व और विश्वसनीय हैं, आकार, वजन और ऊर्जा भंडारण क्षमता के बीच विरोधाभास है: बैटरी को सिकोड़ने से उपकरण पतला और हल्का हो सकता है, लेकिन संग्रहीत ऊर्जा भी कम हो जाएगी।
मानव शरीर में प्रत्यारोपित किए गए चिकित्सा उपकरणों के लिए बैटरी की समस्या विशेष रूप से गंभीर है। एक साधारण स्मार्ट घड़ी की बिजली ख़त्म हो जाने के बाद, इसे केवल चार्जर पर रखकर फिर से चालू किया जा सकता है; हालाँकि, यदि कुछ चिकित्सा प्रत्यारोपण उपकरणों की बैटरी को बदलने की आवश्यकता है, तो रोगी को अतिरिक्त लागत और चिकित्सा जोखिमों को वहन करते हुए दोबारा सर्जरी करानी पड़ सकती है। इसलिए, वैज्ञानिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए शरीर की अपनी ऊर्जा का उपयोग करने के तरीके तलाश रहे हैं।
मानव शरीर के भीतर ऊर्जा के कई स्रोत उपलब्ध हैं। उदाहरण के लिए, शरीर और बाहरी दुनिया के बीच तापमान के अंतर का उपयोग थर्मोइलेक्ट्रिसिटी उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है, जबकि मांसपेशियों में संकुचन, दिल की धड़कन और सांस लेने की गति यांत्रिक ऊर्जा प्रदान कर सकती है। पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री निचोड़ने या खींचने पर उत्पन्न यांत्रिक विकृति को विद्युत आवेश में परिवर्तित कर सकती है, और इसलिए इसे प्रत्यारोपण योग्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शक्ति देने के लिए एक संभावित प्रौद्योगिकी मार्ग माना जाता है।
हालाँकि, पारंपरिक पीजोइलेक्ट्रिक ऊर्जा हार्वेस्टर आमतौर पर ऊतक सतहों पर स्टैंड-अलोन डिवाइस के रूप में स्थापित किए जाते हैं। ऐसे केंद्रीकृत डिज़ाइन और मानव ऊतक के बीच महत्वपूर्ण यांत्रिक अंतर हो सकते हैं: इलेक्ट्रॉनिक्स अपेक्षाकृत कठोर होते हैं, जबकि हृदय की मांसपेशी जैसे जैविक ऊतक नरम होते हैं और लगातार गति में रहते हैं। दोनों के बीच यांत्रिक बेमेल न केवल ऊर्जा संग्रह दक्षता को सीमित कर सकता है, बल्कि जब उपकरण ऊतक के साथ दीर्घकालिक संपर्क में होता है तो डिजाइन की कठिनाई भी बढ़ सकती है।
मैसाचुसेट्स विश्वविद्यालय की शोध टीम ने इसलिए डिज़ाइन विचार को बदल दिया। ऊतक की सतह पर एक बड़े बिजली उत्पादन उपकरण को ठीक करने के बजाय, कई सूक्ष्म बिजली उत्पादन इकाइयों को फैलाया जाता है और एक लचीली जाल संरचना में व्यवस्थित किया जाता है, जिससे जीवित कोशिकाओं को इलेक्ट्रॉनिक उपकरण में और उसके आसपास बढ़ने की अनुमति मिलती है, ताकि दोनों एक करीबी संरचनात्मक संयोजन बना सकें।
शोधकर्ताओं ने सबसे पहले लेड जिरकोनेट टाइटेनेट (पीजेडटी) से बनी बड़ी संख्या में छोटी रिबन संरचनाएं तैयार कीं। यह एक पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री है जिसका उपयोग आमतौर पर सेंसर और एक्चुएटर्स में किया जाता है जो यांत्रिक रूप से विकृत होने पर विद्युत चार्ज उत्पन्न करता है। फिर टीम ने इन छोटी पीजोइलेक्ट्रिक इकाइयों को एक परस्पर जुड़े ऊर्जा-संचयन नेटवर्क बनाने के लिए अल्ट्रा-पतली, लचीली पॉलिमर जाल की एक परत में एकीकृत किया।
एक सतत, बंद सब्सट्रेट के विपरीत, ग्रिड संरचना काफी खुली जगह छोड़ती है, जिससे जीवित कोशिकाओं को डिवाइस के अंदर से गुजरने और बढ़ने की अनुमति मिलती है। शोधकर्ताओं ने इस मंच पर मानव कार्डियोमायोसाइट्स को शामिल किया। जैसे-जैसे कोशिकाएँ धीरे-धीरे बढ़ती गईं, कोशिका समूहों ने ग्रिड संरचना के साथ एक सघन संयोजन बनाया। परिणामी बायोहाइब्रिड संरचना हृदय की मांसपेशियों के ऊतकों के साथ चलती है और कोशिकाओं के सिकुड़ने पर एम्बेडेड पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को विकृत कर देती है।
जब कार्डियोमायोसाइट्स सिकुड़ते हैं, तो पूरे ग्रिड में वितरित पीजेडटी रिबन संरचनाएं सिकुड़ जाती हैं या खिंच जाती हैं, जिससे पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के माध्यम से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है। क्योंकि बिजली पैदा करने वाली इकाइयाँ अब ऊतक की सतह पर एक स्थान पर केंद्रित नहीं हैं, बल्कि पूरे नेटवर्क में वितरित की जाती हैं, सिस्टम कोशिकाओं और इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं के बीच संपर्क के व्यापक क्षेत्र से यांत्रिक ऊर्जा प्राप्त करने में सक्षम है।
शोध टीम का मानना है कि यह वितरित वास्तुकला इस तकनीक का सबसे महत्वपूर्ण नवाचार है। पारंपरिक उपकरण आमतौर पर अपेक्षाकृत केंद्रित ऊर्जा संग्राहक पर निर्भर होते हैं, जबकि नए समाधान कई सूक्ष्म इकाइयों को जैविक ऊतक संरचनाओं में एकीकृत करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को पर्याप्त लचीलापन बनाए रखते हुए कोशिकाओं के करीब जाने की अनुमति मिलती है।
प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि नई प्रणाली का प्रभावी ऊर्जा घनत्व मौजूदा केंद्रीकृत ऊर्जा संचयन समाधानों से दस गुना अधिक है। यहां मुख्य मीट्रिक प्रभावी ऊर्जा घनत्व है, जो ऊर्जा का वह स्तर है जिसे डिवाइस द्वारा व्याप्त प्रभावी मात्रा के भीतर एकत्र किया जा सकता है। शोधकर्ताओं का मानना है कि यह सुधार केवल डिवाइस के आकार को बढ़ाने पर निर्भर रहने के बजाय, कई सूक्ष्म-शक्ति उत्पादक इकाइयों और सेलुलर ऊतकों के बीच घनिष्ठ यांत्रिक युग्मन से आता है।
एक अन्य संभावित लाभ यह है कि संरचना का विस्तार किया जा सकता है। चूंकि जाल फिल्म बहुत हल्की और पतली है, शोधकर्ताओं ने प्रस्ताव दिया कि बिजली उत्पादन इकाइयों की कुल संख्या बढ़ाने के लिए जाल की कई परतों को ढेर किया जा सकता है, जिससे डिवाइस की मात्रा में उल्लेखनीय वृद्धि से बचने की कोशिश करते हुए समग्र बिजली उत्पादन क्षमता में वृद्धि होगी। भविष्य में, इंजीनियर विभिन्न प्रत्यारोपित उपकरणों की बिजली खपत आवश्यकताओं के आधार पर ग्रिड परतों की संख्या और बिजली उत्पादन इकाइयों के वितरण को समायोजित करने में सक्षम हो सकते हैं।
इस तकनीक का सबसे तात्कालिक संभावित अनुप्रयोग पेसमेकर, हृदय निगरानी प्रणाली, न्यूरोस्टिम्यूलेटर और अन्य कम-शक्ति वाले बायोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए सहायक शक्ति प्रदान करना है। हृदय या अन्य ऊतकों की प्राकृतिक गति से निरंतर और विश्वसनीय रूप से ऊर्जा प्राप्त करने में सक्षम होने से प्रत्यारोपित उपकरणों के संचालन समय को बढ़ाने, बैटरी प्रतिस्थापन की आवृत्ति को कम करने और रोगियों को पुन: ऑपरेशन से गुजरने की आवश्यकता को कम करने का अवसर मिलेगा।
प्रौद्योगिकी पहनने योग्य सेंसर के लिए नए डिज़ाइन विचार भी प्रदान कर सकती है। भविष्य के लचीले इलेक्ट्रॉनिक उपकरण पारंपरिक बैटरियों पर अपनी निर्भरता कम कर सकते हैं यदि वे मानव ऊतक के साथ अधिक निकटता से एकीकृत हो सकें और अपनी कुछ शक्ति प्राप्त करने के लिए शरीर की गति का उपयोग कर सकें। हालाँकि, ये अनुप्रयोग अभी भी अनुसंधान अवधारणाएँ हैं और अभी तक उस चरण तक नहीं पहुँचे हैं जहाँ इन्हें सीधे नैदानिक उत्पादों में उपयोग किया जा सके।
शोध पत्र के वरिष्ठ लेखक और मैसाचुसेट्स एमहर्स्ट विश्वविद्यालय के स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में एसोसिएट प्रोफेसर याओ जून ने कहा कि मानव ऊतक उन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को अस्वीकार कर सकते हैं जो बड़े होते हैं और जिनमें यांत्रिक गुण बेमेल होते हैं। डिवाइस को सेलुलर पैमाने के करीब बनाने से जैविक ऊतकों के साथ इसकी अनुकूलता में सुधार होने की उम्मीद है। उनका मानना है कि ऐसी प्रणालियों की क्षमता छोटी संरचनाओं में सख्त बायोइलेक्ट्रॉनिक एकीकरण को सक्षम करने में निहित है।
हालाँकि, अभी भी कई प्रमुख मुद्दे हैं जिन्हें इस तकनीक से हल करने की आवश्यकता है। सबसे पहले, वर्तमान अध्ययन केवल प्रयोगशाला में विकसित हृदय की मांसपेशियों के ऊतकों पर किया गया है, और शोधकर्ताओं ने यह साबित नहीं किया है कि यह जीवित वातावरण में लंबे समय तक काम कर सकता है। दूसरे, वास्तविक आउटपुट पावर, क्या यह विभिन्न प्रत्यारोपित उपकरणों की बिजली खपत आवश्यकताओं को स्थिर रूप से पूरा कर सकती है, और क्या दीर्घकालिक यांत्रिक आंदोलन से सामग्री थकान या प्रदर्शन में गिरावट होगी, सभी को और अधिक परीक्षण करने की आवश्यकता है।
सामग्री सुरक्षा भी एक महत्वपूर्ण चुनौती है। डिवाइस में प्रयुक्त लेड जिरकोनेट टाइटेनेट में लेड होता है। यदि इसका उपयोग मानव शरीर के अंदर किया जाता है, तो यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि सामग्री हानिकारक पदार्थों के रिसाव और आसपास के ऊतकों को प्रभावित करने से बचने के लिए विश्वसनीय रूप से संपुटित है। शोधकर्ताओं को वास्तविक शारीरिक वातावरण में दीर्घकालिक जैव अनुकूलता, प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया, एनकैप्सुलेशन स्थायित्व और डिवाइस स्थिरता का मूल्यांकन करने की भी आवश्यकता होगी।
इसलिए, ऊर्जा घनत्व में दस गुना से अधिक की तथाकथित वृद्धि का मतलब यह नहीं है कि यह उपकरण प्रत्यारोपित चिकित्सा उपकरणों की बैटरी को पूरी तरह से बदल सकता है, न ही इसका मतलब यह है कि सभी संबंधित उपकरण बिना चार्ज किए तुरंत काम कर सकते हैं। प्रयोग में सापेक्ष प्रदर्शन सुधार प्रौद्योगिकी की क्षमता का केवल एक प्रारंभिक प्रमाण है। इसका उपयोग अंततः नैदानिक परीक्षणों में किया जा सकता है या नहीं, यह वास्तविक उत्पादन शक्ति, सुरक्षा और दीर्घकालिक विश्वसनीयता पर भी निर्भर करता है।
कुल मिलाकर, इस शोध का महत्व जैविक ऊतक की सतह से जुड़े स्वतंत्र उपकरणों से ऊर्जा हार्वेस्टर को एक वितरित इलेक्ट्रॉनिक नेटवर्क में बदलने में निहित है जो जीवित कोशिकाओं के साथ बढ़ सकता है और ऊतक के साथ आगे बढ़ सकता है। यह मानव गति की ऊर्जा और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बीच घनिष्ठ संबंध स्थापित करने के लिए नए इंजीनियरिंग समाधान प्रदान करता है। यदि अनुवर्ती अनुसंधान सामग्री सुरक्षा, दीर्घकालिक स्थिरता और वास्तविक बिजली आपूर्ति क्षमताओं जैसे मुद्दों को संबोधित कर सकता है, तो इस बायोहाइब्रिड ग्रिड से कम-शक्ति वाले चिकित्सा प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों की अगली पीढ़ी के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीकी दिशा बनने की उम्मीद है।
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