Artificial Electric Organ; Riset yang Terinspirasi dari Makhluk Hidup

Oleh: Sandra Sopian

Sudah banyak teknologi yang tercipta oleh sebab inspirasi dari alam. Alam mengilhami manusia untuk secara kreatif membuat suatu peniruan. Dan manusia memang diberi kemampuan untuk menyempurnakan konsep rancangan dan bentuk tiruan tersebut untuk berbagai tujuan. Contoh, manusia tidak mempunyai sayap seperti burung sehingga manusia tidak bisa terbang. Tapi berkat burung, manusia jadi tahu bahwa ada makhluk lain yang mempunyai kemampuan untuk terbang. Maka manusia mulai merancang alat yang ‘menyerupai’ burung agar dengan itu manusia bisa terbang. Dan akhirnya, lahirlah rancangan yang kita sebut sekarang sebagai pesawat terbang. Manusia memang tidak bisa terbang, tetapi manusia bisa menciptakan suatu alat yang membuat dirinya (seolah-olah) terbang. Dan banyak lagi contoh lainnya yang merupakan teknologi-teknologi yang membantu memudahkan kehidupan manusia sekarang berangkat dari ide sederhana itu ; “bagaimana seandainya, …..”.  Alam dan semua hal yang ada didalamnya mengilhami manusia dengan caranya yang unik.

Pada kesempatan ini, penulis ingin mengedepankan proses kreatif berbasis science tentang salah satu teknologi yang terilhami oleh alam atau dalam hal ini lebih spesifik merujuk kepada organisme makhluk hidup, yaitu artificial electrical organ atau organ listrik buatan yang memberikan suplai energy listrik yang fleksibel, ramah terhadap tubuh, dan bersifat biokompatibel. Teknologi yang digadang-gadang akan merubah cara pandang kita terhadap sumber listrik atau batre konvensional di bidang medis dan kedokteran. Teknologi ini terilhami dari belut listrik (Electrical Eel) yang mampu mengeluarkan listrik dan mengaturnya sesuai keperluan. Mekanisme kerja listrik didalam tubuh Belut Listrik ini sesuai dengan keperluan manusia bahwa saat ini di bidang medis misalnya, perlu suatu suplai energy listrik yang biokompatibel, dan baterai konvensional tidak dirancang untuk keperluan itu. Maka, lagi-lagi manusia ingin membuat rancangan dan teknologi yang meniru mekanisme alamiah dari belut listrik.

Bagaimana caranya?

Tentu ini akan sangat ruwet, panjang, kompleks tapi menyenangkan. Metode ‘peniruan’ ini dalam sains disebut sebagai ‘Reverse Engineering’ atau rekayasa kebalikan. Jadi awalnya kita melihat, meneliti, dan mengeksplorasi terlebih dahulu bagaimana sih mekanisme belut listik dalam memproduksi, mengeluarkan, dan menyimpan listriknya. Hal ini pada gilirannya akan menuntun kita kepada struktur tubuh dan komponen apa saja yang ada di dalam tubuh belut listrik yang mendukung berbagai aktivitasnya itu. Sains jadi terlihat menyenangkan karena kita akan main-main dengan belut listrik. Sains memang mengingatkan kita pada aktivitas masa kecil ketika kita begitu menggebu-gebu ingin mengetahui sesuatu dengan cara yang membuat kita lupa waktu.

***

Artificial electric organ merupakan perangkat semacam bio-battery yang melibatkan sistem organisme makhluk hidup yang bersifat biokompatibel, fleksibel secara mekanis, dan mampu memanfaatkan energi kimia yang tersedia di dalam sistem biologis untuk menghasilkan listrik. Perangkat ini nantinya bisa membantu kerja dari suatu peralatan medis, karena baterai konvensional yang selama ini digunakan tidak dirancang dengan mempertimbangkan kriteria ini. Cara kerja articifial electric organ ini meniru organ listrik Knifefish Electrophorus Electricus (belut listrik). Belut listrik sendiri mampu menghasilkan listrik dari kinerja biologis didalam tubuhnya hingga 600 volt dengan arus 1 ampere [1] . Sistem kerja dari belut listrik ini menginspirasi para peneliti untuk menciptakan artificial electric organ yang menggunakan gradien ion antara miniatur kompartemen hidrogel polyacrylamide yang dibatasi oleh lapisan membran hidrogel kation dan anion-selektif yang disusun secara berurutan. Aplikasi dari Artificial electric organ ini diantaranya untuk baterai bagi perangkat medis, material implantasi, bio-sensor atau juga berguna sebagai sumber listrik yang bersifat deformable dalam soft robot atau material soft lainnya [2].

***

Proses Kreatif Peniruan terhadap Organisme

Belut listrik ini memang sudah dari dahulu dikenal mempunyai kemampuan untuk menghasilkan listrik dari sel yang tereksitasi (dirangsang) oleh sel-sel sarafnya berdasar adanya perbedaan gradient ion di dalam tubuhnya. Organ listrik yang terspesialisasi itu dapat menghasilkan total daya sebesar 100 W. Belut listrik menghasilkan arus sementara yang berguna untuk menghindari musuhnya dan juga sebagai mekanisme untuk mempertahankan diri. Listriknya ini juga berguna untuk mendeteksi dan membuat musuhnya tak berdaya. Dari sudut pandang engineering organ listrik belut ini merupakan contoh terbaik dari suatu anatomi dan fisiologi makhluk hidup dalam menghasilka listrik (Fig. 1a, b).

Fig. 1.a. Struktur tubuh Belut Listrik dan Susunan gradient ionnya.

 

Fig 1.b. Konsentrasi gradient ion dengan voc = 0 dan 150 mV

Articifial electric organ yang dikembangkan oleh beberapa peneliti di Departemen Teknik Kimia, Universitas Michigan ini mampu menghasilkan beda potensial sebesar 100 V dengan mengimplementasikan 3 fitur unik dari organ listriknya si Electrophorus. Berikut peniruan-peniruan yang dilakukan oleh para peneliti tersebut ;

Pertama, di dalam tubuh belut listrik diketahui adanya susunan melintang ribuan gradien ion secara seri dari ekor hingga kepalanya dan kerapatan sel-sel untuk aktivasi listrik yang dikenal sebagai electrocytes yang berbentuk paralel memutar (Fig. 1a dan 1.b). Membran anterior dan posterior electrocytes yang terikat, atas dan bawah, dengan jaringan penghubung insulasi, dan berfungsi sebagai membran pemisah dengan selektivitas untuk dua ion yang berbeda semacam potensial transeluler sepanjang kedua membran yang ditambahkan secara series [3].

Dalam gambar Fig 1.b diatas, digambarkan mekanisme untuk menghasilkan beda potensial. Voc = 0 mv menunjukan kondisi belut listrik sedang istirahat, sementara voc = 150 mv menunjukan ketika belut listrik mengeluarkan listriknya.  Ribuan lapisan electrocytes yang ada di tubuh belut listrik secara seri dapat menghasilkan beda potensial lebih dari 600 V [4] .

Untuk membuat articifial electric organ, para peneliti tersebut meniru anatomi dari belut listrik dengan menggunakan empat komposisi hydrogel yang sama dengan 4 komponen terbesar yang ada dalam electrocytes. Membran ini mempunyai selektivitas ion yang berbeda di sisi anterior dan posterior dan kompartemen garamnya di bagian intraseluler dan ekstraselulernya. Di gambar Fig 1.c dan 1.d dijelaskan bahwa ketika kontak di mulai, tetrametik akan mengulang satuan-satuan dari hydrogel dengan salinitas yang tinggi, di sisi gel kation-selektiv, sebuah gel dengan salinitas rendah dan sebuah gel anion-selektive yang berurutan dibentuk untuk menyerupai jalan kecil yang membentang secara ionic konduktif, lalu menetapkan gradient electrocytes sepanjang puluhan hingga ribuan kompartemen semipermeabel, dengan menggunakan prinsip dari elektrodialisis-balik[5], setiap dari “sel gel tetrametrik” ini akan menghasilkan 130 – 185 mV pada sirkuit terbuka (Fig. 1.d).

Fig 1.c. Artificial electric organ yang dicetak. Hydrogel merah mengandung NaCl konsentrat, Gel hijau adalah polimer dari monomer bermuatan negatif sebagai ion selektif dan gel biru mengandung NaCl terlarut, dan gel kuning adalah polimer dari monomer bermuatan positif sebagai selektif-anion.

Fig.1.d Mekanisme artificial electric organ dalam menghasilkan listrik.

Kedua, fitur yang ditiru dari organ listrik Electrophorus yang menjamin stimulus secara simultan dari electrocytes di sepanjang organ, yang bisa melebihi satu meter panjangnya. Sinyal saraf tidak berjalan cukup cepat untuk mengaktivasi semua electrocytes secara simultan dalam durasi pelepasan (sekitar 2 ms), Electrophorus akan mengsinkronisasikan pengiriman sinyal dengan perlahan-lahan dari sampainya impuls neural ke bagian organ terdekat untuk memerintahkan nucleus.

Nah, articifial electric organ yang dibuat ini juga memerlukan aktivasi yang simultan untuk semua gel untuk menghindari adanya disipasi energi. Dalam gambar Fig 2.a dibawah ini menunjukan 2 strategi pemasangan organ listrik buatan, satu berdasarkan fluidiks dan satunya lagi berdasarkan cetakan permukaan [6]. Implementasi fluidiks secara otomatis akan menghasilkan dan diposisikan secara series dari urutan gel-gelnya dengan menggunakan sebuah dispenser fluid yang terprogram. Dalam konfigurasi ini, para peneliti mempersiapkan organ listrik buatan dengan total gel sebanyak 41 buah, dan mendemonstrasikan tiga kolom gel dalam parallel yang membawa arus triple dengan daya yang diharapkan (Fig. 2b dan 2c). Pemasangan otomasi fluidic ini akan memenuhi device secara paralel dan memungkinkan formasi Artificial electric organ terbungkus, arus dan daya yang di skala dengan jumlah kolom gel analog terhadap kolom electrocytes paralel di belut listrik. Meskipun implementasi pertama untuk pemasangan secara fluidiks dari organ listrik buatan ini memerlukan tiga detik per gel, sistem mikrofluid secara teori dapat menghasilkan tetesan air-dalam-minyak dari empat komposisi tetesan yang berbeda perdetik pada laju mendekati 10 hingga 100, dan polimerisasi terindusi ultraviolet dari partikel hydrogel dalam suatu reaktor PFR telah di demonstrasikan pada laju 25 partikel gel perdetik. Pada laju ini, suatu Artificial Electric Organ dengan 2500 gel akan menghasilkan 100 V yang terpasang selama lebih kurang 2 menitan[7].

Fig 2.b dan 2.c untuk percobaan dengan pemasangan secara seri dan parallel terhadap voltase yang dihasilkan.

Sebagai strategi alternatif untuk jenis pemasangan ini, fig.2d dibawah menunjukan aktivasi sinkronisasi yang unik dari Artificial electric organ dengan menginisiasi kontak mekanik antara dua pola gel komplementer yang disusun membentang secara paralel. Rancangan ini di cetak dengan tanda larutan dari membrane ion selectif dalam susunan berbentuk lensa dalam suatu substrat poliester dan larutan dari kompartemen garam perdetik substrat dalam pola komplementer (Fig. 2.d).

Fig. 2.d suatu alternatif rancangan artificial electric organ

Ketiga, organ listriknya Electrophorus mempunyai kemampuan untuk merawat dan meregenerasi gradient ion Na+ dan K+ yang tinggi diantara sel electrocytes dan ruang ekstraselular. ATP tergantung pada transport aktif oleh protein Na-Atpase yang mengerjakan tugas ini dengan menetralkan difusi pasif dan membangun ulang gradient setelah pelepasan ion K. dalam Artificial electric organ ini, para peneliti melakukan perawatan gradient ion dengan menjamin pemisahan fisik diantara setiap hydrogel sebelum aktuasi, jadi listrik yang dihasilkan setelah pelepasan dengan mengalirkan arus ke electrode terminal dapat merecovery hingga lebih dari 90% kapasitas asli selama lebih kurang sepuluh pelepasan. [8]

 

Referensi

[1] Gotter, A. L., Kaetzel, M. A. & Dedman, J. R. Electrophorus electricus as a model system for the study of membrane excitability. Comp. Biochem. Physiol. A Mol. Integr. Physiol. 119, 225–241 (1998).

[2] Xu, J., Sigworth, F. J. & LaVan, D. A. Synthetic protocells to mimic and test cell function. Adv. Mater. 22, 120–127 (2010).

[3] Nachmansohn, D., Cox, R. T., Coates, C. W. & Machado, A. L. Action potential and enzyme activity in the electric organ of Electrophorus electricus (Linnaeus): I. Choline esterase and respiration. J. Neurophysiol. 5, 499–515 (1942).

[4]. Gumuscu, B. et al. Desalination by electrodialysis using a stack of patterned ion-selective hydrogels on a microfluidic device. Adv. Funct. Mater. 26, 8685–8693 (2016).

[5,7,8 ] Schroeder, Thomas. Lamoureux, Aaron. et.all. 2017. “An electric-eel-inspired soft power source from stacked hydrogels. Macmillan Publishers Limited, Springer Nature. Nature : vol 552.

[6] Xu, J. & Lavan, D. A. Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient. Nat. Nanotechnol. 3, 666–670 (2008).

Nilai Artikel Ini
Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Warung Sains Teknologi

Warstek Media

Warung Sains Teknologi (Warstek) adalah media SAINS POPULER yang dibuat untuk seluruh masyarakat Indonesia baik kalangan akademisi, masyarakat sipil, atau industri. Sampai saat ini, sains dan teknologi berkesan ekslusif yang hanya ada di laboratorium dan tidak mampu secara langsung berdampak kepada masyarakat. Akibatnya masyarakat, pemerintah dan industri tidak menjadikan sains sebagai sarana mengatasi permasalahan atau membuat kebijakan. Untuk itu, warstek hadir untuk menjawab tantangan tersebut.

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar