מכשירים ביו-רפואיים הניתנים להשתלה -; כמו קוצבי לב, משאבות אינסולין ונוירוסטימולטורים -; הופכים קטנים יותר ומשתמשים בטכנולוגיה אלחוטית, אך נותרו מכשולים להפעלת השתלים מהדור הבא. מכשיר טעינה אלחוטי חדש שפותח על ידי מדענים של פן סטייט יכול לשפר באופן דרמטי את יכולת ההנעה של שתלים תוך שהוא עדיין בטוח לגופנו, אמרו החוקרים.
המכשיר החדש יכול לקצור אנרגיה ממקורות מגנטיים ואולטרסאונד בו זמנית, ולהמיר אנרגיה זו לחשמל להפעלת שתלים, כך דיווחו המדענים בכתב העת מדעי האנרגיה והסביבה. זהו המכשיר הראשון שקוצר את מקורות האנרגיה הכפולים הללו בו-זמנית ביעילות גבוהה ופועל במסגרת גבולות הבטיחות של רקמות אנושיות, אמר הצוות.
המכשיר שלנו עשוי לפתוח את הדור הבא של יישומים ביו-רפואיים מכיוון שהוא יכול לייצר כוח גבוה יותר ב-300% מהמכשירים החדישים הנוכחיים. על ידי שילוב של שני מקורות אנרגיה בגנרטור אחד, ניתן לשפר משמעותית את הספק המופק מנפח נתון של המכשיר, מה שיכול לפתוח יישומים רבים שלא היו אפשריים קודם לכן".
Bed Poudel, פרופסור מחקר במחלקה למדע והנדסת חומרים בפן סטייט ומחבר שותף של המחקר
באמצעות טכנולוגיה זו, ניתן למזער מכשירים ביו-אלקטרוניים נטולי סוללה למימדים בגודל מילימטר, מה שהופך אותם להשתלה בקלות ומאפשר לרשתות מבוזרות של חיישנים ומפעילים למדוד ולתפעל פעילות פיזיולוגית בכל הגוף. זה יאפשר טיפולים ביו-אלקטרוניים מדויקים ומתאימים עם סיכונים מינימליים או הפרעה לפעילויות היומיומיות, לדברי המדענים.
שתלים מסורתיים יותר כמו קוצבי לב מופעלים בדרך כלל באמצעות סוללות וטעונים באמצעות כבלים. אבל תוחלת החיים של הסוללות מוגבלת וייתכן שיהיה צורך בניתוח להחלפתן, מה שגורם לסיכון לזיהום או לסיבוכים רפואיים אחרים.
טעינה או הפעלת שתלים באופן אלחוטי יכול להאריך את תוחלת החיים שלהם, אמרו המדענים. אבל טכנולוגיית הטעינה האלחוטית הקונבנציונלית המשמשת לטלפונים סלולריים ולרכבים חשמליים עשויה להיות לא אידיאלית מכיוון שהשתלים ממשיכים להתכווץ.
"הבעיה היא שכאשר אתה הופך את השתלים האלה לפחות פולשניים על ידי הפיכתם לקטנים יותר ויותר, היעילות של הטעינה האלחוטית הופכת נמוכה בהרבה", אמר מהדי קיאני, פרופסור חבר להנדסת חשמל בפן סטייט ושותף למחקר. "כדי לטפל בזה, צריך להגביר את ההספק. אבל הבעיה היא שגלים אלקטרומגנטיים בתדר גבוה עלולים להזיק לגוף".
שדה מגנטי ואנרגיית אולטרסאונד הפועלים בתדרים נמוכים יותר הם אפשרויות אטרקטיביות להפעלה אלחוטית או לטעינה של שתלים, על פי החוקרים. עבודה קודמת של מדענים אחרים התמקדה ביצירת מכשירים שיכולים לקצור את אחד ממקורות האנרגיה הללו, אך לא באותו הזמן, אמרו המדענים. עם זאת, ייתכן שגישת מקור יחיד זו לא תספק מספיק כוח לטעינת שתלים רפואיים עתידיים קטנים יותר.
"עכשיו אנחנו יכולים לשלב שני אופנים במקלט אחד", אמרה סומנטה קומאר קארן, פוסט-דוקטורט במחלקה למדע והנדסת חומרים בפן סטייט והמחברת הראשית של המאמר. "זה יכול לחרוג מכל אחת מהשיטות הבודדות כי יש לנו כעת שני מקורות אנרגיה. אנחנו יכולים להגדיל את ההספק בפקטור של ארבע, וזה באמת משמעותי".
המכשירים משתמשים בתהליך דו-שלבי להמרת אנרגיית השדה המגנטי לחשמל. שכבה אחת היא magnetostrictive, אשר ממירה שדה מגנטי למתח, והשנייה היא פיזואלקטרית, אשר ממירה מתח, או רעידות, לשדה חשמלי. השילוב מאפשר למכשיר להפוך שדה מגנטי לזרם חשמלי.
והשכבה הפיזואלקטרית גם יכולה להמיר בו זמנית אנרגיית אולטרסאונד לזרם חשמלי, אמרו החוקרים.
"שילבנו את מקורות האנרגיה הללו באותה טביעת רגל, ואנחנו יכולים לייצר מספיק כוח שניתן להשתמש בו כדי לעשות את הדברים שהשתלים מהדור הבא יתבקשו לעשות", אמר פודל. "ואנחנו יכולים לעשות זאת מבלי לפגוע ברקמה."
לטכנולוגיה יש גם השלכות על הפעלת דברים כמו רשתות חיישנים אלחוטיות בבניינים חכמים. רשתות אלה עושות דברים כמו לנטר אנרגיה ודפוסי תפעול ולהשתמש במידע הזה להתאמת מערכות בקרה מרחוק, אמרו המדענים.
חוקרים נוספים בפן סטייט שתרמו היו אנדרו פטרסון, פרופסור במחלקה למדעי הוטרינריה והביו-רפואה; אניתה ויג'אי, טכנולוגית מחקר; וסוג'אי חוסור, מועמד לדוקטורט. תרמו גם קאי וואנג ו-Ramohan Sriramdas, לשעבר עוזרי פרופסורים למחקר בפן סטייט וששאנק פריה, סגן נשיא למחקר באוניברסיטת מינסוטה ופרופסור לשעבר בפן סטייט.
הקרן הלאומית למדע תמכה בעבודה זו. חלק מהחוקרים במחקר זה קיבלו תמיכה מתוכנית DARPA MATRIX ותוכנית RIF של הצבא.
