La fin de l’angoisse de la batterie pour les capteurs portables

La fin de l’angoisse de la batterie pour les capteurs portables

Vous connaissez cette petite panique quand un bracelet connecté tombe en panne au moment où vous commencez votre séance de sport. Soudain, l’appareil censé surveiller votre fréquence cardiaque, les calories brûlées et l’intensité de votre activité devient un morceau de plastique inutile à votre poignet. La frustration de chercher des câbles de recharge, la contrainte d’appareils qu’il faut constamment recharger sur une prise secteur et la culpabilité écologique liée aux piles jetables affectent depuis longtemps le secteur des technologies portables. Des chercheurs japonais ont mis au point une technologie qui pourrait rendre ces désagréments obsolètes. Une équipe de l’université des sciences de Tokyo a créé un patch fin, appliqué sur la peau, qui produit de l’électricité directement à partir de la sueur, éliminant entièrement le besoin de batteries rechargeables ou de câbles de recharge.

Cette avancée repose sur une encre enzymatique à base d’eau qui permet d’imprimer, en une seule étape et par sérigraphie, des piles à combustible biologiques complètes sur des supports en papier. Publiés en ligne le 6 février 2026 dans ACS Applied Engineering Materials, les résultats montrent une densité de puissance maximale d’environ 165 microwatts par centimètre carré (soit environ 1 065 microwatts par pouce carré) sous une tension de 0,63 volt. Cette puissance suffit à alimenter des biocapteurs à faible consommation et à transmettre des données sans fil, ce qui pourrait transformer la surveillance de la santé pendant l’exercice, les soins cliniques et la vie quotidienne. Cette innovation marque un changement fondamental : on passe de l’énergie stockée à l’énergie récupérée, en utilisant la propre chimie du corps comme source de combustible.

Le professeur associé Isao Shitanda, qui a dirigé l’équipe de recherche au département de chimie pure et appliquée, explique que l’objectif était de surmonter les obstacles à la fabrication qui maintiennent des technologies similaires en laboratoire depuis des années. En créant une encre qui s’imprime uniformément en un seul passage, l’équipe a ouvert une voie concrète vers la production de masse de biocapteurs portables sans batterie. Cette avancée intervient alors que le marché mondial des dispositifs médicaux portables approche les 195 milliards de dollars, l’élimination des batteries figurant parmi les défis techniques les plus urgents du secteur.

Transformer la chimie du corps en électricité

Ces dispositifs sont appelés piles à combustible enzymatiques, ou PCE, et produisent de l’électricité grâce à des enzymes biologiques qui déclenchent des réactions chimiques dans les fluides corporels. Dans cette étude, leur principal combustible est le lactate, un sous-produit du métabolisme présent dans la sueur. Pendant l’exercice, les muscles produisent du lactate en consommant du glucose pour obtenir de l’énergie, et une partie de ce composé est évacuée par la transpiration. Les chercheurs japonais ont conçu leur système pour mesurer des concentrations de lactate comprises entre environ 1 et 25 millimoles par litre, une plage qui correspond directement aux conditions réelles d’exercice, de l’activité légère à l’effort physique intense.

Le processus électrochimique se distingue par sa simplicité. Sur une électrode, des enzymes aident à extraire des électrons des molécules de lactate. Ces électrons circulent ensuite dans un circuit externe, créant un courant électrique. Sur l’électrode opposée, l’oxygène de l’air ambiant capte ces électrons, ce qui achève la réaction. Ce flux continu d’électrons fournit une puissance exploitable pour la détection et la transmission de données, sans charge stockée ni source d’énergie externe. Comme le dispositif repose sur des substances chimiques naturellement produites par le corps, il génère passivement de l’électricité au cours d’activités quotidiennes comme la marche, l’exercice ou les tâches courantes.

Des travaux antérieurs de la même équipe ont déjà montré que cette puissance permettait de faire fonctionner des systèmes Bluetooth Low Energy, autorisant le dispositif à transmettre sans fil des mesures du lactate dans la sueur, sans aucune batterie. Cela crée une boucle de surveillance autonome : plus vous faites d’efforts, plus vous transpirez et, par conséquent, plus vous disposez d’énergie pour transmettre des données sur votre état physique. Pour le suivi de la santé par des dispositifs portables, cette relation est particulièrement intéressante. Le capteur devient plus performant précisément au moment où votre corps a le plus besoin d’être surveillé.

Résoudre le goulot d’étranglement de la production

Depuis des années, les piles à combustible enzymatiques promettent beaucoup en laboratoire, mais les difficultés de fabrication ont empêché leur adoption à grande échelle. Les méthodes de fabrication classiques comportent plusieurs étapes fastidieuses. Les fabricants doivent d’abord imprimer une couche d’électrode en carbone, puis déposer séparément, goutte à goutte, des solutions d’enzymes et de médiateurs à la surface, avant d’attendre que les films, inégaux, sèchent. Ce processus en plusieurs étapes entraîne d’importantes variations entre les dispositifs, complique le contrôle qualité et rend la production de masse peu pratique. De petites différences dans la quantité de liquide déposée ou le temps de séchage peuvent modifier la puissance et les mesures d’un patch à l’autre.

Pour relever ce défi, le professeur associé Isao Shitanda et son équipe, qui comprend Mahiro Omori, de l’université des sciences de Tokyo, et Mitsuru Hanasaki, de la société RESONAC, ont élaboré une formule qui regroupe ces étapes délicates en une seule couche imprimable. L’innovation consiste à prémélanger les composants chimiques actifs directement dans une encre imprimable, ce qui permet de fabriquer les deux électrodes en un seul passage à travers un écran de sérigraphie, sur un support fin en papier.

Pour éviter les techniques de fabrication des piles à combustible enzymatiques, qui sont laborieuses, inefficaces et coûteuses, nous devons commercialiser une encre enzymatique qui s’imprime uniformément et se prête à la production de masse.

Cette méthode de sérigraphie est déjà largement utilisée dans l’industrie, ce qui signifie que la technologie pourrait s’intégrer facilement aux chaînes de production existantes. La formule à base d’eau évite les solvants organiques susceptibles d’endommager les structures délicates des enzymes, et garantit ainsi que les composants biologiques conservent leur activité après l’impression. Cette simplification réduit les variations entre les dispositifs et ouvre la voie à l’étape suivante : transformer les impressions de laboratoire en capteurs portables durables, que les usines pourront réellement fabriquer.

Concevoir l’encre idéale

La création d’une encre enzymatique stable et imprimable exigeait de trouver un équilibre précis entre plusieurs composants. L’équipe de recherche a associé du carbone mésoporeux obtenu à l’aide d’un gabarit en oxyde de magnésium, un matériau poreux offrant une très grande surface, à des médiateurs chimiques qui facilitent le transfert d’électrons. Elle y a ajouté un nouveau liant à base d’eau appelé POLYSOL, une émulsion de polymère qui adhère fortement aux surfaces de carbone tout en préservant un environnement stable pour les enzymes dans la structure poreuse. La carboxyméthylcellulose a servi d’épaississant pour obtenir la consistance nécessaire à la sérigraphie.

L’ajout de carboxyméthylcellulose est particulièrement important. Des travaux connexes publiés dans Nature ont montré que cet additif améliore la dispersibilité des encres de carbone mésoporeux et rend les pores internes du matériau plus accessibles. Dans des études précédentes, l’ajout de CMC à des formulations de carbone similaires a plus que doublé la densité de courant maximale et multiplié la densité de puissance par plus de 2,5, par rapport aux électrodes fabriquées sans cet additif.

L’aspect le plus difficile de la fabrication des piles à combustible biologiques a peut-être toujours été la cathode, l’électrode qui utilise l’oxygène et où les électrons achèvent leur circuit. Les enzymes qui traitent l’oxygène sont particulièrement sensibles et difficiles à stabiliser avec les méthodes de fabrication classiques. En incorporant directement la bilirubine oxydase à l’encre imprimable utilisée pour le reste de la pile, l’équipe japonaise a formé une cathode stable et performante en un seul passage. C’est la première fois qu’une sérigraphie réussit à produire une cathode entièrement fonctionnelle à l’aide d’une encre enzymatique, levant ainsi le dernier obstacle majeur à la production de piles à combustible biologiques à grande échelle.

Des performances adaptées à la vie réelle

Les essais électrochimiques ont révélé que les électrodes imprimées étaient nettement plus performantes que les solutions classiques déposées goutte à goutte. La pile à combustible complète lactate-oxygène a atteint une densité de puissance maximale de 165 microwatts par centimètre carré, sous une tension de fonctionnement de 0,63 volt. Ce résultat dépasse largement une valeur de 96 microwatts par centimètre carré rapportée précédemment pour des systèmes similaires, et marque une avancée majeure dans l’efficacité de la récupération d’énergie pour les applications portables.

Les essais de fiabilité ont donné des résultats tout aussi remarquables. Les électrodes réalisées par dépôt goutte à goutte perdent généralement plus de la moitié de leur activité initiale en quelques minutes ou quelques heures, en raison d’une répartition inégale des enzymes et d’une mauvaise adhérence au support. Les électrodes à encre enzymatique ont montré une dégradation minime lors d’essais prolongés et conservé des performances stables, indispensables à un usage pratique dans un dispositif portable.

Le système fonctionne efficacement dans la plage physiologique des concentrations de lactate observées chez des personnes en bonne santé pendant l’exercice, soit environ 1 à 25 millimoles par litre. Cette adéquation avec la composition naturelle de la sueur est essentielle pour rendre le dispositif utilisable dans la vie courante. L’équipe a également démontré que le procédé était évolutif grâce à une impression en continu de rouleau à rouleau, qui a permis d’imprimer environ 1 312 pieds (400 mètres) de support. Cela prouve que la méthode de fabrication fonctionne à l’échelle industrielle. Des essais de stockage à 5 degrés Celsius sous vide ont montré que l’activité enzymatique se conservait le mieux dans ces conditions, ouvrant la voie à des solutions d’expédition viables pour les produits commerciaux.

Des applications dans le sport et la santé

Les capteurs de sueur autonomes pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines. En sciences du sport, le suivi du lactate en temps réel pourrait fournir un retour immédiat sur l’intensité de l’effort et la fatigue musculaire, sans que les athlètes aient besoin de s’arrêter pour une prise de sang. Les entraîneurs pourraient surveiller les seuils de fatigue, les athlètes optimiser leur rythme et les charges d’entraînement être ajustées en fonction de données biochimiques en temps réel plutôt que d’estimations. Le lien entre le lactate dans la sueur et celui dans le sang reste complexe, mais, pour le suivi des performances, la corrélation est assez forte pour fournir dès aujourd’hui des informations utiles à la prise de décision.

Dans les établissements de santé, le suivi métabolique continu pourrait permettre de détecter plus tôt certains problèmes de santé. Dans les maisons de retraite et les structures de soins aux personnes âgées, les patients ne peuvent pas toujours décrire clairement leurs symptômes. La déshydratation, le stress thermique et les infections à un stade précoce modifient chacun la composition de la sueur de manière mesurable. Un patch cutané autonome permettant un suivi continu pourrait signaler ces changements plusieurs heures avant les contrôles périodiques classiques. Pour les soignants, cette capacité d’alerte précoce permet d’intervenir plus vite, de limiter les aggravations nécessitant des soins d’urgence et d’améliorer les résultats pour les patients. Pour ces derniers, un patch aussi fin qu’une feuille de papier, qui se colle simplement à la peau, supprime tous les obstacles à une utilisation régulière.

Des capteurs similaires pourraient contribuer à prévenir les coups de chaleur en détectant les premiers signes d’alerte métaboliques lorsque les fortes chaleurs transforment des activités ordinaires en situations à risque. Le même modèle de surveillance simple s’applique à la convalescence après une intervention chirurgicale et à la prise en charge des maladies chroniques, en permettant de recueillir régulièrement des données, ce qui est difficile à maintenir depuis longtemps avec des appareils dépendant de batteries.

Conséquences environnementales et économiques

Pris individuellement, chaque dispositif portable paraît petit, mais leur impact environnemental cumulé est important. Le monde a produit environ 68,3 millions de tonnes de déchets électroniques en 2022, dont seulement 22 % ont été recensés comme ayant été correctement collectés et recyclés. Les patchs sans batterie ne résoudront pas à eux seuls la crise des déchets électroniques, surtout s’ils sont conçus pour un usage unique, mais ils pourraient réduire la demande en piles miniatures et simplifier considérablement la conception des appareils.

Supprimer la pile bouton qui domine depuis des décennies la conception des capteurs portables permettrait de réduire simultanément l’encombrement, le coût et l’impact environnemental. Pour les patchs médicaux jetables qui nécessitent actuellement le remplacement de piles ou doivent être éliminés avec des composants toxiques, cette technologie offre une solution plus propre, qui fonctionne entièrement grâce aux substances chimiques déjà produites par le corps.

Sur le plan économique, cette technologie promet de réduire considérablement les coûts. Si l’appareil entier peut être fabriqué par sérigraphie, les coûts de production pourraient descendre à environ 10 yens par appareil, ce qui rendrait économiquement viables les applications portables jetables ou à grande échelle. Cette technologie pourrait ainsi bouleverser le marché mondial des dispositifs médicaux portables, dont les analystes prévoient qu’il dépassera les 195 milliards de dollars d’ici 2030.

Les défis avant la commercialisation

Malgré ces résultats prometteurs, des travaux supplémentaires sont nécessaires avant que les piles à combustible biologiques alimentées par la sueur puissent être largement utilisées dans des appareils commerciaux. Le support en papier doit démontrer qu’il peut résister à la sueur, aux flexions et aux mouvements quotidiens sans perte de performance. Les enzymes peuvent progressivement perdre en efficacité sous l’effet des variations de température, de l’exposition à l’oxygène et des conditions environnementales pendant le port du dispositif. L’équipe reconnaît que la mise en pratique pourrait se rapprocher de 2030, après de nouvelles optimisations, une validation sur de longues périodes et une intégration aux plateformes portables.

La valeur de ces dispositifs dans la vie réelle dépendra de patchs confortables, capables de fournir des mesures stables et des signaux clairs aux cliniciens et aux utilisateurs, quels que soient leur morphologie et leur niveau d’activité. Si la démonstration d’impression en continu a prouvé que la fabrication pouvait être réalisée à grande échelle, le passage des conditions de laboratoire aux produits destinés au grand public nécessite des essais rigoureux de durabilité et une validation clinique. Les chercheurs estiment que les entreprises d’impression et les fabricants de dispositifs médicaux pourraient être bien placés pour adopter cette technologie une fois ces derniers obstacles levés.

Si ces défis sont surmontés, les applications sont faciles à imaginer. Le suivi du lactate en temps réel pourrait aider les athlètes à ajuster leurs efforts, tandis que la surveillance métabolique continue pourrait améliorer les soins là où un suivi passif et peu contraignant est particulièrement important. Cette technologie pourrait contribuer à l’avènement d’une société plus sûre et en meilleure santé en servant de base à des capteurs qui surveillent l’état physique d’une personne simplement en étant portés.

L’essentiel

• Des chercheurs japonais de l’université des sciences de Tokyo ont mis au point une encre enzymatique à base d’eau qui permet d’imprimer par sérigraphie, en une seule étape, des piles à combustible biologiques alimentées par la sueur, avec une puissance de 165 microwatts par centimètre carré sous 0,63 volt.
• Cette technologie supprime le besoin de batteries dans les capteurs portables en convertissant le lactate présent dans la sueur en électricité grâce à des réactions enzymatiques. La puissance obtenue suffit à transmettre des données par Bluetooth Low Energy.
• Contrairement aux méthodes de fabrication classiques en plusieurs étapes, qui entraînent des variations entre les appareils, cette nouvelle encre enzymatique permet d’imprimer simultanément les deux électrodes sur des supports en papier, ce qui pourrait ramener le coût à environ 10 yens par appareil.
• Le système mesure des concentrations de lactate comprises entre 1 et 25 millimoles par litre, correspondant aux conditions réelles d’exercice. Il pourrait permettre un suivi continu de la santé des athlètes, des personnes âgées prises en charge et des personnes exposées aux risques de coup de chaleur.
• La mise en pratique est envisagée aux alentours de 2030, sous réserve d’optimiser davantage la stabilité au stockage, de valider le système sur le long terme et de l’intégrer aux plateformes portables.