ElectricSkin

Paige Perillat Piratoine, Catherine Euale, Nada Elkharashi, and Sequoia Fischer

Electric Skin is een speculatief idee dat kan veranderen hoe we omgaan met electrische producten die we dagelijks gebruiken, zoals onze telefoons. Een team van vrouwelijke bio-designers gebruikt bacteriën die van nature elektrische eiwitten produceren voor het opwekken van stroom. Zou het mogelijk kunnen zijn om composteerbare elektronica te maken door deze eiwitten te integreren in biomaterialen op basis van algen?

Dit baanbrekende project gebruikt een nieuwe hernieuwbare bron, in plaats van verdere vergroting van de wereldwijde vraag naar de edelmetalen die in elektronica worden gebruikt. Sommige daarvan worden in slechts 1% van de aardkorst gevonden. Deze uitvinding zou ook voor een enorme vermindering van giftig elektronisch afval kunnen zorgen. In 2022 eindigde 62 miljard kilo elektronica als afval, maar slechts 22,3% werd ingezameld en gerecycled.

Paige Perillat Piratoine is een van de medeoprichters en heeft grote ambities voor de toekomst. We spraken met haar over deze onderneming, haar dromen en de uitdagingen van het navigeren op onbekend terrein.

Hoi Paige. Je werkt aan een zeer speculatief project. Wat dreef je tot deze reis?

Paige: "Toen ik geografie studeerde in Dublin, ging ik in eerste instantie in de richting van stadslandbouw. Ik was geïnteresseerd in het terugbrengen van planten naar de stad, mensen weer in contact brengen met hun voedselbronnen. Daar kreeg ik ook de kans om een korte cursus synthetische biologie te doen in de Science Gallery. Voor mijn proefschrift leerde ik over aquaponics, hydrocultuur en het kweken van mycelium. En hoe zulke hightech systemen geïmplementeerd kunnen worden in steden en in bedrijfsmodellen. Ik realiseerde me dat het niet alleen om het terugbrengen van planten ging. Het ging over het veranderen van alle materialen om ons heen.

Wat me altijd heeft gedreven, is het gevoel van de materialen om me heen als ik door een stad loop. Dit kwam ongeveer tien jaar geleden heel duidelijk naar voren, toen ik terugkwam in Europa na reizen in de VS en Zuid-Amerika. Daar is veel meer wildernis. Ik kwam aan in Londen, waar ik een paar jaar zou gaan wonen, en ik voelde me diep ongemakkelijk, benauwd en afgesloten. Ik werd omringd door cement, glas en plastic. En die vlakke, levenloze materialen leken alle geluiden te versterken. Ik had een sterk belichaamd gevoel dat zei 'dit is verkeerd'. "

Je hebt drie andere vrouwen gevonden die ook in biodesign geloven. Hoe zijn jullie bij elkaar gekomen?

Paige: "We hebben elkaar online ontmoet! Het was tijdens de jaarlijkse Biodesign Challenge met als thema Redesigning Electronics. Het is een wedstrijd die elk jaar plaatsvindt tussen universiteiten over de hele wereld. In 2021 werkten ze samen met Google. Wij deden mee aan een kleinere sprint genaamd "Redesigning Technology". Catherine, onze materiaalonderzoeker, woont in Mexico. Nada is onze ontwerper, zij zit in Qatar. Sequoia is een synthetisch bioloog, zij zit in Arizona. En ik ben de business developer. Momenteel in de VS, maar ik ben onlangs naar Zuid-Frankrijk verhuisd."

Elk van ons deed individueel mee aan die uitdaging en we werden bij toeval bij elkaar gezet. Ik zou zeggen dat we alle vier een soort 'biofilie' hebben: we houden van de natuur en willen veel meer ervan integreren in de systemen waar we deel van uitmaken. En we geloven allemaal in biomimicry: wat doet de natuur dat wij kunnen nabootsen en hoe kunnen we dagelijkse voorwerpen ontwerpen op een manier die iets teruggeeft aan de natuur? Dat wilden we toepassen op onze taak: het herontwerpen van elektronica."

Ik zou zeggen dat we alle vier een soort 'biofilie' hebben.

Je wilt dus de natuur nabootsen om elektronica te veranderen. Wat zijn de belangrijkste problemen in deze industrie?

Paige: "Het is vooral een materialen-probleem. En dan hebben we het nog niet eens over de geopolitieke en mensenrechtenkwesties die gepaard gaan met de winning van de materialen die nodig zijn om onze apparaten te maken. Er is een noodsituatie rondom de manier waarop we de materialen en mineralen verzamelen die we voor onze producten gebruiken. We vernietigen al generaties lang landschappen om zeldzame metalen te winnen die we in onze telefoons gebruiken. Koper, kobalt, lithium en nikkel zijn mineralen die cruciaal zijn voor batterijen. Deze en andere mineralen zijn erg schaars. Ze vormen slechts ongeveer 1% van de aardkorst. We raken snel door deze mineralen heen, maar zorgwekkender is dat we in een steeds hoger tempo batterijen maken. Dat is een groot probleem.

Toch ontwerpen we producten, zoals telefoons, doelbewust om niet lang mee te gaan. En als consumenten willen we altijd wat nieuw is op de markt. We assembleren producten in soms afschuwelijke menselijke arbeidsomstandigheden en vervolgens belandt alles als e-waste op enorme stapels. In 2022 werd er wereldwijd 62 miljard kilo e-waste geproduceerd. Slechts 22,3% daarvan werd op een milieuvriendelijke manier ingezameld en gerecycled. Dit laat zien hoe e-waste management en recycling tekortschieten. Deze bergen e-waste lekken giftige chemicaliën die weer generaties lang landschappen vernietigen en ernstige gezondheidsproblemen bij de mens veroorzaken. Het is gewoon een erg lelijk proces.

Bovendien transporteren we grondstoffen van hier naar daar met een zeer hoge CO2-voetafdruk. Er staan al bedrijven klaar om te starten met mijnbouw in de diepzee, wat dat landschap voor altijd zal vernietigen en potentieel belangrijke stromen van de planeet zal verstoren."

Wat heb je van de natuur geleerd dat je inspireerde om dit destructieve proces opnieuw te ontwerpen?

Paige: "Onze elektronica zoals we die kennen zijn platte, levenloze apparaten die we elke dag met ons meedragen. Maar onze telefoons zijn ook als onze huisdieren, we hebben ze de hele dag in handen. We vroegen ons af: ‘Wat als iets zo ontworpen zou zijn dat je het wilt houden en ervoor wilt zorgen? Wat als we iets ontwerpen dat zowat een levend, ademend object is. Niet plat en glad, maar met structuur? Zou dat niet van invloed zijn op hoe we met het object omgaan?’"

We kwamen een artikel tegen met de titel The Mud is Electric. De titel trok meteen onze aandacht. Het gaat over een bacteriesoort die al miljoenen jaren op aarde leeft, genaamd Geobacter Sulfurreducens. Het is een eencellig organisme en komt overal ter wereld voor in modder, waar geen zuurstof is. Bijvoorbeeld in de diepzee en in vijvers. De wetenschapper Derek Lovely ontdekte de bacterie niet alleen, maar bracht hem ook mee naar zijn laboratorium en ontdekte dat de bacterie eiwitten aanmaakt. Deze eiwitten gebruiken de metalen in de bodem om te metaboliseren. Hij onttrok deze eiwitten en plaatste ze tussen twee elektroden. Samen met een elektrotechnicus zag hij dat deze eiwitten een beetje elektriciteit genereren.

Ze verbonden een heleboel van de bacteriecellen die deze eiwitten bevatten met elektroden en slaagden erin om een klein led-lampje te laten branden! We vonden het ongelooflijk dat eiwitten stroom kunnen opwekken, daar wilden we mee aan de slag. Het moest mogelijk zijn met synthetische biologie en deze bacteriën een organisch materiaal te ontwerpen dat stroom levert, zoals een batterij dat doet, maar dan helemaal buiten de huidige mijnindustrie om."

Je gebruikt dus elektrische eiwitten die door bacteriën worden geproduceerd in plaats van traditionele mineralen voor elektronica waarvoor mijnbouw nodig is. Hoe werkt Electric Skin?

Paige: "Wat we in wezen creëren met Electric Skin is een soort ‘micro-bliksem’.

Ten eerste gebruiken we de Geobacter Sulfurreducens bacterie niet meer. We gebruiken alleen het eiwit dat Derek Lovely eruit heeft gehaald. Dit is een goed voorbeeld van synthetische biologie, omdat we deze eiwitten in een gemakkelijker te hanteren bacterie kunnen stoppen. We gebruiken bacteriën die meer eiwitten kunnen maken, zoals de E.Coli bacterie. We kunnen bacteriën programmeren om te doen wat wij willen.

Deze eiwitten, die nu in de bacterie zitten, kunnen stroom opwekken in wisselwerking met vocht. Dus als we genoeg van de bacteriële cellen met elkaar verbinden en ze blootstellen aan vocht, kunnen we steeds meer elektriciteit maken. Algen trekken van nature water aan, daarom testen we het plaatsen van deze cellen in materiaal dat daarvan is gemaakt."

Door het oppervlak te vergroten, kunnen we de elektrische output versterken.

Hoe zie je deze organische bio-cel gebruikt worden in producten?

Paige: "We worstelen nog een beetje met wat onze rol moet zijn. Zijn we een zonnecel of zijn we een batterij? Ik weet het nog niet helemaal. We moeten met mensen uit de industrie praten om echt te begrijpen wat we precies doen. Maar we maken een organisch materiaal dat stroom opwekt.

Ik zie het groot voor me. We kunnen werken aan alternatieve elektronica voor telefoons, ter vervanging van de metalen die nu worden gebruikt. Om genoeg stroom op te wekken hebben we een groter oppervlak nodig dan een platte telefoon biedt. Het maken van gestructureerde oppervlakken zou daarbij kunnen helpen, zoals een golvend oppervlak met ribbels. Door het oppervlak te vergroten, kunnen we de elektrische output versterken. Sommige wetenschappers denken dat je de eiwitten ook samen kunt spinnen tot eiwitdraden. Deze zouden kunnen werken als kleine elektrische kabels. In de toekomst zien we dus ook mogelijkheden die verder gaan dan alleen elektriciteitsproductie. We zouden elektrische componenten op biologische basis kunnen maken, zoals kabels die volledig uit eiwitten bestaan in plaats van metalen.

Op dit moment denken we erover om, als eerste stap, biologisch afbreekbare sensoren te ontwikkelen die in landbouwgronden geplaatst kunnen worden om verschillende bodem- en vervuilingsniveaus te meten. Normaal gesproken kost het veel geld om sensoren te plaatsen om de milieueffecten van landbouwactiviteiten te meten, en kost het extra om ze naderhand weer terug te halen. Wij onderzoeken sensoren die een paar jaar kunnen meten en dan in de bodem kunnen ontbinden. Dat kan kosten besparen, de impact van het meetproces zelf verminderen, en achteraf is er geen e-waste."

Een levend product gemaakt van bacteriën. Dat klinkt misschien spannend voor sommigen, maar eng voor anderen... Hoe maak je het aantrekkelijk?

Paige: "Ik vind het ongelooflijk sexy! Maar inderdaad, als ik met vrienden praat, denken ze er niet zo over. We leven in een maatschappij die erg anti-bacterieel is.

Daarom is onze ontwerpster Nada zo belangrijk. Ze is ongelooflijk goed in het uitleggen van wat we aan het doen zijn en weet van dit wat vreemde proces van werken met bacteriën een mooi en helder verhaal te maken. Ik denk dat dat een belangrijk onderdeel is van wat we doen. We willen mensen laten dromen over bacteriën, op een positieve manier, en dit soort biologie sexy maken.

Een deel van ons idee is ook dat bacteriën een prachtige, gedecentraliseerde hulpbron zijn. Je kunt deze elektrische eiwitten overal kweken. Het dichter bij huis brengen, als een hernieuwbare bron, kan helpen het idee over te brengen. We stellen ons voor dat mensen kleine bioreactoren aan huis hebben, hun eigen eiwitten kunnen maken en hun eigen elektriciteitsbronnen kunnen samenstellen. Het grote voordeel is dat het kweken van deze eiwitten niet wordt beperkt door weersomstandigheden, zoals bij andere hernieuwbare energiebronnen als zon of wind. Het heeft slechts de luchtvochtigheid nodig die overal om ons heen aanwezig is."

Hoe ga je Electric Skin naar een hoger niveau tillen? Welke uitdagingen moet je overwinnen?

Paige: "Eerlijk gezegd zijn er veel dingen die tegelijkertijd moeten gebeuren. Het onderzoek en de prototypes hebben absoluut de eerste prioriteit. We doen alles met heel weinig budget. Tot nu toe hebben we veel prototypes gemaakt en tests gedaan in onze individuele werkruimtes en we werken waar mogelijk samen met universiteiten om toegang te krijgen tot apparatuur. Ons labwerk wordt allemaal gedaan in Sequoia's garage, die inmiddels een laboratorium is geworden. Catherine fabriceert en test onze materialen en Nada werkt aan de integratie van al deze componenten in functionele en esthetische ontwerpen. Met dit proces zijn we al in staat om een stroom, een golf van elektriciteit, te meten. We hebben prototypes gemaakt van kleine apparaten die langzaam kleine batterijen en sensoren kunnen opladen. Maar het zijn nog steeds prototypes. We willen nu een product maken met apparatuur van laboratoriumkwaliteit en dan gaan testen in levensechte omstandigheden.

Een andere uitdaging is dat we decentraal werken, met vier vrouwen verspreid over de hele wereld. Prototyping vanuit alle hoeken van de wereld is moeilijk. We moeten dingen van de ene plaats naar de andere verschepen. We moeten samen beslissen hoe we geld uitgeven. En soms is er ook miscommunicatie. Aan de positieve kant vermenigvuldigt het onze mogelijkheden en reikwijdte, omdat we allemaal op ons eigen continent ons idee verspreiden. Het is een langzaam maar heel bewust proces geweest."

Wat heb je nodig om te gaan testen in echte omstandigheden, misschien kunnen onze lezers je daarbij helpen?

Paige: "Ten eerste hebben we iemand nodig die ons kan helpen om door alle verschillende strengen genetisch materiaal van de bacterie te navigeren, om de bacterie en zijn mogelijkheden nog beter te begrijpen. Maar we kunnen ook ondersteuning gebruiken van mensen die werken met sensoren of bekend zijn met het 'Internet of Things'. Of die al dit soort nieuwe technologieën ontwikkelen. Zij hebben waarschijnlijk al een heel goed idee van waar we hiermee naartoe zouden kunnen gaan en wat de eerste toepassingen zouden kunnen zijn. We zouden een superster-consultant kunnen gebruiken met expertise in de elektronica-industrie, die alle ontwikkelingen op dit gebied heeft gevolgd.

En dan de vraag: wat als het van de grond komt? Waar verzamelen we ons? Waar beginnen we? Welk land kiezen we? Als we die beslissing eenmaal hebben genomen, komen er een heleboel mogelijkheden vrij. We hebben hulp en praktische bedrijfsondersteuning nodig van iemand die over de hele wereld zaken heeft gedaan."

Is er nog een laatste boodschap die je met ons wilt delen?

"Dat we op een andere manier naar materialen kunnen kijken. We kunnen veel leren van organismen zoals bacteriën, mycelium en microben!

Voor ons is de toekomst biomimetisch en biogebaseerd. Micro-organismen gaan een enorme rol spelen in de toekomst van onze materialen. Ze kunnen ons laten zien hoe we op aarde kunnen leven in co-existentie met de rest van de natuurlijke wereld. En ik denk dat Suzanne Lee, een modeontwerpster die gespecialiseerd is in duurzame mode en biotechnologie, het heel goed zegt: ‘Je moet ontwerpers en wetenschappers in één kamer krijgen, omdat ze samen veel van de problemen waar we mee te maken hebben kunnen oplossen’."

Instagram

Website