Необычайные достижения в области медицинских технологий проложили путь к созданию таких медицинских устройств, как кардиостимулятор. К сожалению, как и все автономные электрические устройства, функциональность медицинских имплантатов ограничена конечным сроком службы батареи. Современные кардиостимуляторы нуждаются в замене батарей примерно каждые 5–15 лет, что требует сложных и иногда рискованных операций.
Для решения этой проблемы множество исследователей разрабатывали многочисленные методы сбора энергии в организме, которые могут привести к бесконечному сроку службы аккумулятора для медицинских имплантатов.
Одним из хорошо изученных методов сбора биологической энергии является сбор тепловой энергии. Термоэлектрические генераторы работают с использованием эффекта Зеебека: температурные разности между двумя разнородными металлами создают электрический потенциал. Концепция заключается в том, что жир в организме человека обеспечивает хорошую теплоизоляцию. Следовательно, жировые области тела, такие как брюшная полость, могут предоставить идеальные места для термоэлектрического сбора энергии.
Одна из проблем этой технологии заключается в том, что ТЭГ неэффективны, а температурные перепады в организме не оптимальны. Исследователи из Беркли считают, что исходя из средней потребляемой мощности 100 мкВт (при 1 В) мощности медицинских имплантатов, для успешного использования этой технологии потребуются термоэлектрические элементы с высоким соотношением сторон в массивах высокой плотности.
Другой формой сбора биологической энергии является сбор кинетической энергии. Большинство форм сбора кинетической энергии связаны с пьезоэлектрическим эффектом или его производными, такими как трибоэлектрический эффект. Таким образом, исследователи пытаются преобразовать механическую энергию тела в электрическую энергию. Это считается многообещающей технологией, поскольку тело изобилует механической энергией от таких источников, как сердцебиение, движение диафрагмы во время дыхания или вибрации тела от таких действий, как ходьба.
Одним из основных препятствий при сборе собственной энергии тела для силовых имплантатов является соблюдение закона сохранения энергии. Большая часть энергии, производимой внутри, будь то тепло или сердцебиение, предназначена для использования в этой единственной задаче, а не для использования в другом месте. Например, организм производит тепло для поддержания гомеостаза. Принимая это тепло и производя электричество вместе с ним, устройство сбора тепловой энергии может препятствовать тому, чтобы тепло выполняло свою первоначальную функцию. Это, в свою очередь, приведет к тому, что организм будет усерднее работать, производя больше тепла, что приводит к потере биологической энергии в целом. Кроме того, оба упомянутых выше метода требуют инвазивной хирургии для имплантации устройств в организм. Это именно то, что пациенты хотят избежать, рассматривая эти устройства для сбора энергии.
В надежде на питание медицинских имплантатов без потери биологической энергии исследователи из GIST в Корее обратились к фотонике. Живая ткань обладает свойством прозрачности, что означает, что свет может проходить через нее. Чтобы использовать это свойство, исследователи предложили «метод передачи активной фотонной энергии». Этот метод состоит из прикрепляемого к коже источника микро-светодиодов и фотоэлектрического фиксатора, который будет встроен в имплантаты.
Теоретически, батарея может питать источник света вне тела, и с помощью фотоники передавать энергию батареи медицинскому имплантату. Таким образом, люди смогут заряжать свои медицинские имплантаты, не потребляя биологическую энергию и не нуждаясь в каких-либо инвазивных операциях.
Испытания на мышах с этой технологией GIST уже проводились. Результаты показали, что технология успешно перезарядила имплантат и была проста в использовании во многих условиях окружающей среды. Это одна из наиболее многообещающих технологий, которые могут быть предложены для сбора энергии с помощью медицинских имплантатов, и, похоже, у нее светлое будущее. В долгосрочной перспективе мы можем увидеть день, когда медицинские имплантаты не потребуют замены – по крайней мере, из-за низкого заряда батареи.
© digitrode.ru