21 فوریه 2024 -توسط متیو کارول، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا
تصویری سه بعدی از دستگاه جدیدی که می تواند انرژی را از میدان مغناطیسی و منابع اولتراسوند به طور همزمان جمع آوری کند و این انرژی را به الکتریسیته تبدیل کند که می تواند نسل بعدی دستگاه های زیست پزشکی قابل کاشت را تامین کند. اعتبار: Bed Poudel/دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا
دستگاه‌های زیست پزشکی قابل کاشت – مانند ضربان‌ساز، پمپ‌های انسولین و محرک‌های عصبی- در حال کوچکتر شدن هستند و از فناوری بی‌سیم استفاده می‌کنند، اما موانعی برای تامین انرژی ایمپلنت‌های نسل بعدی باقی مانده‌اند. به گفته محققان، یک دستگاه شارژ بی‌سیم جدید که توسط دانشمندان ایالت پن ساخته شده است، می‌تواند به طور چشمگیری قابلیت تغذیه ایمپلنت‌ها را بهبود بخشد و در عین حال برای بدن ما ایمن باشد.
دانشمندان در مجله Energy & Environmental Science گزارش دادند که دستگاه جدید می تواند انرژی را از میدان مغناطیسی و منابع اولتراسوند به طور همزمان جمع آوری کند و این انرژی را به الکتریسیته برای نیرو دادن به ایمپلنت ها تبدیل کند. به گفته این تیم، این اولین دستگاهی است که این منابع انرژی دوگانه را به طور همزمان با راندمان بالا جمع آوری می کند و در محدوده ایمنی برای بافت انسانی کار می کند.
Bed Poudel، استاد پژوهشی در گروه علوم و مهندسی مواد-نویسنده تحقیق در Penn State می گوید: “دستگاه ما ممکن است برنامه های کاربردی زیست پزشکی نسل بعدی را باز کند، زیرا می تواند 300٪ انرژی بالاتری نسبت به دستگاه های پیشرفته فعلی تولید کند.”
با ترکیب دو منبع انرژی در یک ژنراتور، توان تولید شده از حجم معینی از دستگاه را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید که می تواند بسیاری از برنامه هایی را که قبلاً امکان پذیر نبودند، باز کند.
با استفاده از این فناوری، دستگاه‌های بیوالکترونیکی بدون باتری را می‌توان به ابعاد میلی‌متری کوچک‌سازی کرد که به راحتی قابل کاشت هستند و به شبکه‌های توزیع‌شده حسگرها و محرک‌ها اجازه می‌دهد تا فعالیت فیزیولوژیکی را در سراسر بدن اندازه‌گیری و دستکاری کنند. به گفته دانشمندان، این روش درمانی بیوالکترونیکی دقیق و سازگار با حداقل خطرات یا تداخل در فعالیت های روزانه را امکان پذیر می کند.
ایمپلنت‌های سنتی بیشتر مانند ضربان‌سازها معمولاً با باتری تغذیه می‌شوند و با استفاده از کابل شارژ می‌شوند. اما طول عمر باتری ها محدود است و ممکن است برای تعویض آنها جراحی لازم باشد که خطر عفونت یا سایر عوارض پزشکی را به همراه دارد.
به گفته دانشمندان، شارژ یا تغذیه مستقیم ایمپلنت ها به صورت بی سیم می تواند طول عمر آنها را افزایش دهد. اما فناوری شارژ بی سیم معمولی که برای تلفن های همراه و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود، ممکن است ایده آل نباشد زیرا ایمپلنت ها همچنان در حال کوچک شدن هستند.
مهدی کیانی، دانشیار مهندسی برق در ایالت پن و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «مشکل این است که هرچه این ایمپلنت‌ها را با کوچکتر کردن آنها کمتر تهاجمی می‌کنید، بازده شارژ بی‌سیم بسیار کمتر می‌شود». “برای رفع این مشکل، باید قدرت را افزایش دهید. اما مشکل این است که امواج الکترومغناطیسی با فرکانس بالا می توانند برای بدن مضر باشند.”
به گفته محققان، میدان مغناطیسی و انرژی اولتراسوند که در فرکانس‌های پایین‌تر کار می‌کنند، گزینه‌های جذابی برای تغذیه یا شارژ بی‌سیم ایمپلنت‌ها هستند. به گفته دانشمندان، کار قبلی دانشمندان دیگر بر روی ایجاد دستگاه‌هایی متمرکز شده بود که می‌توانند یکی از این منابع انرژی را برداشت کنند، اما نه در همان زمان. با این حال، این رویکرد تک منبع ممکن است قدرت کافی برای شارژ ایمپلنت های پزشکی کوچکتر در آینده را فراهم نکند.
سومانتا کومار کاران، محقق فوق دکتری در دپارتمان علوم و مهندسی مواد در ایالت پن و نویسنده اصلی مقاله، گفت: اکنون می‌توانیم دو روش را در یک گیرنده ترکیب کنیم. “این می تواند از هر یک از روش های فردی فراتر رود زیرا ما اکنون دو منبع انرژی داریم. ما می توانیم قدرت را ضریب چهار افزایش دهیم که واقعاً قابل توجه است.”
این دستگاه ها از یک فرآیند دو مرحله ای برای تبدیل انرژی میدان مغناطیسی به الکتریسیته استفاده می کنند. یک لایه مغناطیسی است که میدان مغناطیسی را به تنش تبدیل می کند و لایه دیگر پیزوالکتریک است که تنش یا ارتعاشات را به میدان الکتریکی تبدیل می کند. این ترکیب به دستگاه اجازه می دهد تا میدان مغناطیسی را به جریان الکتریکی تبدیل کند.
به گفته محققان، لایه پیزوالکتریک همچنین می تواند به طور همزمان انرژی اولتراسوند را به جریان الکتریکی تبدیل کند.
پودل گفت: «ما این منابع انرژی را در یک ردپای یکسان ترکیب کرده‌ایم و می‌توانیم نیروی کافی تولید کنیم که بتوان از آن برای انجام کارهایی استفاده کرد که از ایمپلنت‌های نسل بعدی خواسته می‌شود.» و ما می توانیم این کار را بدون آسیب رساندن به بافت انجام دهیم.
فناوری همچنین پیامدهایی برای تامین انرژی چیزهایی مانند شبکه‌های حسگر بی‌سیم در ساختمان‌های هوشمند دارد. به گفته دانشمندان، این شبکه ها کارهایی مانند نظارت بر انرژی و الگوهای عملیاتی را انجام می دهند و از این اطلاعات برای تنظیم سیستم های کنترل از راه دور استفاده می کنند.
