Разработана система беспроводного питания сразу для всей электроники в человеческом теле

С каждым годом медицина продвигается вперёд — и предлагает новые виды протезов, искусственных органов и электронных устройств, которые вживляются в человеческое тело. Соответственно, всё больше людей могут позволить себе электрический «апгрейд». Но главная проблема вживляемой электроники — как обеспечить постоянное и стабильное электропитание устройств, встроенных в организм?

Рассматриваются разные варианты извлечения энергии из окружающей среды: пьезоэлементы (вибрация), термоэлектрические элементы, работающие на разнице температур (на тепле человеческого тела), трибоэлектрические кардиостимуляторы, и другие устройства уже испытаны на крысах, кроликах и свиньях. Эти гаджеты извлекают электрический заряд из трения (статическое электричество). Идут эксперименты с электроникой, которая питается глюкозой из человеческой крови и молочной кислотой из пота.

Кроме извлечения энергии из окружающей среды рассматриваются различные способы беспроводной передачи энергии. Здесь ключевая проблема — разработать гарантированно безопасный способ передачи, чтобы не повредить живые ткани организма, которые находятся между приёмником и передатчиком.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с коллегами из Brigham and Women’s Hospital разработали новую систему для безопасной передачи энергии на радиоволнах, которые безопасно проходят через ткани человека. В тестах на животных исследователи доказали, что такой способ подходит для энергопитания устройств, расположенных на глубине 10 сантиметров в ткани с расстояния 1 метр. А если датчики располагаются близко к коже, то энергию можно безопасно передавать с расстояния до 38 метров.

Это вполне приемлемые характеристики, которым соответствует большинство человеческих имплантатов, в том числе кардиостимуляторы, мозговые имплантаты для стимулирования отдельных участков мозга светом или электроимпульсами, а также «умные» таблетки-контейнеры, которые выпускают лекарство при достижении поражённого участка.

До сих пор учёные не могли предложить эффективную систему беспроводного питания, безопасную для живых тканей. Дело в том, что радиоволны обычно поглощаются тканями тела, поэтому до конечного устройства доходит лишь малая часть. Требуется мощный передатчик, а на высоких энергиях разрушаются ткани.

Для решения проблемы исследователи разработали систему “In Vivo Networking” (IVN). Это антенная решётка, испускающая радиоволны на слегка отличающихся частотах. По мере распространения радиоволн они перекрываются и сочетаются различными способами. В определённых точках достигается резонанс и преодолевается энергетический порог, до есть энергия возрастает до уровня, достаточного для питания имплантированного датчика.

С новой системой не требуется знать точное положение датчиков в теле, поскольку энергия передаётся обширному районом. Это также означает, что можно одновременно питать несколько устройств. А получающие мощный импульс датчики могут ретранслировать информацию обратно на антенну по принципу RFID.

«Хотя у этих крошечные имплантируемых устройств нет батарей, теперь мы можем установить с ними связь на расстоянии. Это открывает совершенно новые типы медицинских приложений, — говорит Фадель Адиб (Fadel Adib), доцент Media Lab Массачусетского технологического института и ведущий автор научной статьи, которая будет представлена на конференции Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) в августе 2018 года.

Беспроводная передача энергии позволяет значительно уменьшить размер устройств: в экспериментах Media Lab тестировали исплантат размером примерно с рисовое зёрнышко. И это ещё не предел: исследователи считают, что размер можно ещё уменьшить.

Система разработана в сотрудничестве с сотрудниками лаборатории в Brigham and Women’s Hospital, которая сейчас работает над различными видами «умных» таблеток для доставки лекарств, съёма различных биологических параметров и контроля работы желудочно-кишечного тракта.

Медицина уже использует вживляемые электроды для глубокой стимуляции головного мозга (DBS). Первоначально разработанная для исцеления судорог, которыми страдают пациенты с болезнью Паркинсона, для многих исследователей этот метод стал потенциально революционным способом лечения различных психических заболеваний.

Кроме электрической стимуляции, беспроводные мозговые имплантаты осуществлять оптическую стимуляцию, чтобы стимулировать или ингибировать активность определённых групп нейронов. Пока эта техника не используется на людях, но считается весьма перспективной для лечения многих неврологических расстройств. В настоящее время мозговые имплантаты управляются устройством вроде кардиостимулятора, которое имплантируется под кожу. Но при использовании беспроводного питания можно использовать более комфортную схему.

В будущем мощные ретрансляторы смогут передавать энергию на мозговые имплантаты целых групп людей, что очень удобно.

С каждым годом медицина продвигается вперёд — и предлагает новые виды протезов, искусственных органов и электронных устройств, которые вживляются в человеческое тело. Соответственно, всё больше людей могут позволить себе электрический «апгрейд». Но главная проблема вживляемой электроники — как обеспечить постоянное и стабильное электропитание устройств, встроенных в организм?

Рассматриваются разные варианты извлечения энергии из окружающей среды: пьезоэлементы (вибрация), термоэлектрические элементы, работающие на разнице температур (на тепле человеческого тела), трибоэлектрические кардиостимуляторы, и другие устройства уже испытаны на крысах, кроликах и свиньях. Эти гаджеты извлекают электрический заряд из трения (статическое электричество). Идут эксперименты с электроникой, которая питается глюкозой из человеческой крови и молочной кислотой из пота.

Кроме извлечения энергии из окружающей среды рассматриваются различные способы беспроводной передачи энергии. Здесь ключевая проблема — разработать гарантированно безопасный способ передачи, чтобы не повредить живые ткани организма, которые находятся между приёмником и передатчиком.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с коллегами из Brigham and Women’s Hospital разработали новую систему для безопасной передачи энергии на радиоволнах, которые безопасно проходят через ткани человека. В тестах на животных исследователи доказали, что такой способ подходит для энергопитания устройств, расположенных на глубине 10 сантиметров в ткани с расстояния 1 метр. А если датчики располагаются близко к коже, то энергию можно безопасно передавать с расстояния до 38 метров.

Это вполне приемлемые характеристики, которым соответствует большинство человеческих имплантатов, в том числе кардиостимуляторы, мозговые имплантаты для стимулирования отдельных участков мозга светом или электроимпульсами, а также «умные» таблетки-контейнеры, которые выпускают лекарство при достижении поражённого участка.

До сих пор учёные не могли предложить эффективную систему беспроводного питания, безопасную для живых тканей. Дело в том, что радиоволны обычно поглощаются тканями тела, поэтому до конечного устройства доходит лишь малая часть. Требуется мощный передатчик, а на высоких энергиях разрушаются ткани.

Для решения проблемы исследователи разработали систему “In Vivo Networking” (IVN). Это антенная решётка, испускающая радиоволны на слегка отличающихся частотах. По мере распространения радиоволн они перекрываются и сочетаются различными способами. В определённых точках достигается резонанс и преодолевается энергетический порог, до есть энергия возрастает до уровня, достаточного для питания имплантированного датчика.

С новой системой не требуется знать точное положение датчиков в теле, поскольку энергия передаётся обширному районом. Это также означает, что можно одновременно питать несколько устройств. А получающие мощный импульс датчики могут ретранслировать информацию обратно на антенну по принципу RFID.

«Хотя у этих крошечные имплантируемых устройств нет батарей, теперь мы можем установить с ними связь на расстоянии. Это открывает совершенно новые типы медицинских приложений, — говорит Фадель Адиб (Fadel Adib), доцент Media Lab Массачусетского технологического института и ведущий автор научной статьи, которая будет представлена на конференции Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) в августе 2018 года.

Беспроводная передача энергии позволяет значительно уменьшить размер устройств: в экспериментах Media Lab тестировали исплантат размером примерно с рисовое зёрнышко. И это ещё не предел: исследователи считают, что размер можно ещё уменьшить.

Система разработана в сотрудничестве с сотрудниками лаборатории в Brigham and Women’s Hospital, которая сейчас работает над различными видами «умных» таблеток для доставки лекарств, съёма различных биологических параметров и контроля работы желудочно-кишечного тракта.

Медицина уже использует вживляемые электроды для глубокой стимуляции головного мозга (DBS). Первоначально разработанная для исцеления судорог, которыми страдают пациенты с болезнью Паркинсона, для многих исследователей этот метод стал потенциально революционным способом лечения различных психических заболеваний.

Кроме электрической стимуляции, беспроводные мозговые имплантаты осуществлять оптическую стимуляцию, чтобы стимулировать или ингибировать активность определённых групп нейронов. Пока эта техника не используется на людях, но считается весьма перспективной для лечения многих неврологических расстройств. В настоящее время мозговые имплантаты управляются устройством вроде кардиостимулятора, которое имплантируется под кожу. Но при использовании беспроводного питания можно использовать более комфортную схему.

В будущем мощные ретрансляторы смогут передавать энергию на мозговые имплантаты целых групп людей, что очень удобно.