Медицинские импланты — от кардиостимуляторов до нейростимуляторов и биосенсоров — спасают жизни. Но у них есть одна большая проблема: батареи садятся. А чтобы их заменить, пациенту приходится ложиться на операционный стол — снова и снова.
Теперь исследователи из Университета науки и технологий Гванджу (DGIST) в Южной Корее разработали беспроводную систему ультразвуковой зарядки, способную полностью заряжать имплантируемые датчики без хирургического вмешательства — и делать это в разы быстрее, чем существующие аналоги.
Как это работает: сэндвич, который ловит ультразвук
Система получила название SW-PUSH — Sandwich-structured Piezoelectric Ultrasonic Wireless Harvester (пьезоэлектрический ультразвуковой сборщик энергии с сэндвич-структурой). Её секрет — в двойном слое пьезоэлементов, расположенных друг за другом, как начинка в бутерброде.
Когда ультразвук проходит через ткани тела:
- Первый слой (передний) поглощает основную часть энергии и превращает её в электричество.
- Второй слой (задний) ловит остаточный ультразвук, который прошёл сквозь первый, и тоже генерирует ток.
Таким образом, система максимально эффективно использует каждый ультразвуковой импульс, что невозможно в однослойных сборщиках.
Результат?
- Плотность мощности: 497,47 мВт/см²
- Общая выходная мощность: 732,27 мВт в воде
- Это на 20% больше, чем у традиционных решений.
Ультразвуковой «луч» и точная подгонка
Чтобы система работала эффективно, команда разработала специальный ультразвуковой передатчик, формирующий узкий пучок с частотой 1 МГц и размером фокального пятна 6,4 × 28 мм на глубине 30 мм.
Приёмник SW-PUSH был точно подогнан под этот пучок:
- Размеры: 6,4 × 23 × 4,6 мм — идеально вписывается в зону максимальной интенсивности.
- Толщина пьезоэлемента PZT-5H: 2,0 мм — для резонанса на частоте 1 МГц.
- Между слоями — согласующий слой из эпоксидной смолы со стекловолокном (300 мкм), покрытый хромом и золотом (Cr/Au) для улучшения проводимости.
Результаты: зарядка под водой и под кожей
Учёные протестировали систему в условиях, имитирующих человеческое тело:
- В воде (на глубине 30 мм):
→ Коммерческий аккумулятор 140 мА·ч полностью заряжен за 1 час 40 минут. - Через 30 мм биологической ткани:
→ Аккумулятор 60 мА·ч заряжен за 1 час 20 минут.
Это в два раза быстрее, чем у предыдущих ультразвуковых систем беспроводной зарядки.
Почему ультразвук — лучше, чем магниты или свет
Существуют и другие методы беспроводной зарядки:
- Индукционная (магнитная) — требует очень близкого контакта и плохо работает на глубине.
- Оптическая (свет) — рассеивается в тканях и может вызывать перегрев.
Ультразвук, напротив:
- Хорошо проходит через ткани и жидкости;
- Не взаимодействует с металлом (не мешает имплантам);
- Может фокусироваться на маленькой области;
- Безопасен при правильной интенсивности.
Будущее: импланты, которые заряжаются как смартфон
«Мы эффективно собираем ультразвуковую энергию, которая раньше терялась, — говорит профессор Джинхо Чанг из DGIST, руководитель исследования. — Наша цель — коммерциализировать систему, способную заряжать импланты за один час, объединив её с высокоэффективными полупроводниковыми схемами».
Представьте сценарий будущего:
Утром вы встаёте, берёте небольшое устройство (как фен или массажёр), прикладываете его к груди — и за 20–30 минут ваш кардиостимулятор полностью заряжен. Без разрезов. Без госпитализации. Без стресса.
Применение — не только в медицине
Технология SW-PUSH может использоваться:
- В нейропротезах и искусственных глазах;
- Для непрерывного мониторинга глюкозы у диабетиков;
- В умных имплантах, которые высвобождают лекарства по мере необходимости;
- Даже в подводной робототехнике и биотелеметрии у животных.
Вывод: конец эпохи операций для замены батареек?
Сегодня многие импланты служат 5–10 лет — не потому, что ломаются, а потому что разряжается батарея. Ультразвуковая беспроводная зарядка может радикально продлить их срок службы — возможно, до бесконечности.
Источник: https://www.eenewseurope.com/en/ultrasonic-wireless-charging-for-implantable-sensors/
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
