Улучшенная ультразвуковая беспроводная зарядка для имплантируемых биомедицинских устройств
Ультразвуковая передача энергии становится более привлекательным вариантом для питания имплантированных устройств, так как может преодолеть многие ограничения других подходов. Новое исследование показало, что форма имплантированного приемника может значительно повысить эффективность сбора энергии из ультразвукового луча.
Современные технологии беспроводной зарядки используют электромагнитные или радиоволны для зарядки батарей имплантированных устройств, например, кардиостимуляторов. Однако эти подходы теряют значительное количество энергии при прохождении через ткани, что снижает их эффективность для глубоко расположенных устройств. Они также связаны с потенциальными проблемами, такими как нагрев тканей.
Ультразвук может проникать глубже в ткани без значительных потерь энергии или серьезных побочных эффектов. В новом исследовании профессор Джин Хо Чанг из Института науки и технологий Тэгу Кёнбук (Республика Корея) с коллегами изучал, как улучшить сбор ультразвуковой энергии, изменяя размер, форму и положение имплантированного пьезоэлектрического приемника.
Они обнаружили, что размещение приемника в фокальной области сфокусированного ультразвукового луча значительно повышает эффективность передачи энергии. Работа опубликована в журнале Nano Energy.
Пьезоэлектрический приемник генерировал разные фазы электрических сигналов в зависимости от того, с какой частью ультразвукового луча он взаимодействовал. Наиболее эффективная передача энергии происходила в главном лепестке луча. Другими словами, больший размер не обязательно был лучше, даже несмотря на то, что больший приемник взаимодействовал с большей частью луча.
На основе этих условий была разработана система с продолговатым ультразвуковым передатчиком и приемником. Этот передатчик формирует широкий главный лепесток в фокальной точке, а приемник, совпадающий по форме с передаваемым лучом, эффективно принимает энергию.
"Комбинация сфокусированного луча и хорошо подобранного приемника позволяет продолговатой системе передатчик-приемник достичь значительно более высокой доставки энергии по сравнению с обычными ультразвуковыми системами беспроводной передачи энергии", — говорит профессор Чанг.
Эффективность системы тестировали под водой и через 50 мм свиной ткани. Продолговатый приемник смог полностью зарядить аккумулятор через ткань за 1,8 часа, что хорошо соответствует требованиям для коммерческих батарей.
"Мы считаем, что эти результаты станут ступенькой для значительного прогресса в технологии ультразвуковой беспроводной передачи энергии, — говорит Чанг. — Ее инновационный дизайн и продемонстрированная эффективность обладают огромным потенциалом для питания следующего поколения глубоко имплантируемых биомедицинских устройств".