Ultraljudsbaserad trådlös kraftöverföring blir ett mer attraktivt alternativ för att driva implanterade biomedicinska enheter eftersom det kan övervinna många av de begränsningar och utmaningar som andra metoder för trådlös laddning står inför. Nu har en ny studie visat att formen på den implanterade mottagaren avsevärt kan öka effektiviteten av kraftuttag från ultraljudsstrålen.
Nuvarande trådlösa laddningstekniker använder antingen elektromagnetiska eller radiovågor för att ladda batterierna i implanterade biomedicinska apparater, såsom pacemakers och cochleaimplantat. Men dessa tillvägagångssätt förlorar en betydande mängd kraft som går genom vävnad, vilket gör dem mindre effektiva för djupare enheter. De är också förknippade med potentiella problem, såsom vävnadsuppvärmning och immuneffekter.
Ultraljud kan tränga djupare in i vävnader utan att förlora så mycket energi eller orsaka stora biverkningar. I den nya studien ledde professor Jin Ho Chang från Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology i Republiken Korea ett team av forskare som undersökte hur man kan förbättra ultraljudsenergiskörden genom att ändra storleken, formen och positionen på den implanterade piezoelektriska mottagaren.
De fann att placeringen av mottagaren inom fokusområdet för en fokuserad ultraljudsstråle avsevärt ökade energiöverföringens effektivitet. Verket publiceras i tidskriften Nano Energy .
Den piezoelektriska mottagaren genererade olika faser av elektriska signaler beroende på vilken del av ultraljudsstrålen den interagerade med. Den mest effektiva energiöverföringen skedde i balkens huvudlob. Med andra ord, större var inte nödvändigtvis bättre, även om en större mottagare skulle interagera med mer av ultraljudsstrålen.
Utifrån dessa förhållanden utvecklades en avlång formad ultraljudssändare och mottagare. Denna sändare bildar en bred huvudlob vid brännpunkten, och mottagaren matchar den sända strålen som matar ut energi med hög effektivitet.
"Kombinationen av en fokuserad stråle och en väl anpassad mottagare gör att avlånga ultraljudssändare och mottagare kan uppnå betydligt högre energileverans jämfört med konventionella ultraljudsbaserade trådlösa kraftöverföringssystem", säger professor Chang.
Systemets effektivitet testades både under vatten och genom 50 mm grisvävnad. Den avlånga mottagaren kunde ladda ett batteri helt genom vävnaden på 1,8 timmar, vilket är väl inom intervallet som krävs för kommersiella batterier.
"Vi tror att dessa fynd kommer att vara en språngbräda för ett betydande framsteg inom ultraljudsbaserad trådlös kraftöverföringsteknik", säger Chang. "Dess innovativa design och påvisade effektivitet har en enorm potential för att driva nästa generation av djupt implanterbara biomedicinska enheter."
Mer information: Sungwoo Kang et al, avlång formad piezoelektrisk ultraljudsenergiskördare för högpresterande trådlös kraftladdning, Nano Energy (2024). DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109618
Journalinformation: Nanoenergi
Tillhandahålls av Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)
