Het draadloze energieoverdrachtssysteem bestaat uit een ultrasone zender buiten het lichaam die een gerichte ultrasone straal door de huid naar een piëzo-elektrische ontvanger stuurt, die een langwerpige vorm heeft om de energieoverdracht te maximaliseren. De ontvanger zet die ultrasone energie vervolgens om in elektriciteit om de batterij van een implanteerbaar biomedisch apparaat, zoals een pacemaker, op te laden. Krediet: Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie (DGIST)
Op echografie gebaseerde draadloze energieoverdracht wordt een aantrekkelijkere optie om geïmplanteerde biomedische apparaten van stroom te voorzien, omdat hiermee veel van de beperkingen en uitdagingen kunnen worden overwonnen waarmee andere benaderingen van draadloos opladen worden geconfronteerd. Nu heeft een nieuwe studie aangetoond dat de vorm van de geïmplanteerde ontvanger de efficiëntie van de energiewinning uit de ultrasone straal aanzienlijk kan verhogen.
De huidige technologieën voor draadloos opladen maken gebruik van elektromagnetische of radiogolven om de batterijen van geïmplanteerde biomedische apparaten, zoals pacemakers en cochleaire implantaten, op te laden. Maar deze benaderingen verliezen een aanzienlijke hoeveelheid energie die door weefsel reist, waardoor ze minder efficiënt zijn voor diepere apparaten. Ze worden ook in verband gebracht met potentiële problemen, zoals weefselverwarming en immuuneffecten.
Echografie kan dieper in weefsels doordringen zonder zoveel energie te verliezen of grote bijwerkingen te veroorzaken. In de nieuwe studie leidde professor Jin Ho Chang van het Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie in de Republiek Korea een team van onderzoekers die onderzochten hoe de oogst van ultrasone energie kon worden verbeterd door de grootte, vorm en positie van de geïmplanteerde piëzo-elektrische ontvanger te veranderen.
Ze ontdekten dat het positioneren van de ontvanger binnen het brandpuntsgebied van een gefocusseerde ultrasone straal de efficiëntie van de energieoverdracht aanzienlijk verhoogde. Het werk is gepubliceerd in het journaal Nano-energie.
De piëzo-elektrische ontvanger genereerde verschillende fasen van elektrische signalen, afhankelijk van met welk deel van de ultrasone straal hij interageerde. De meest efficiënte energieoverdracht vond plaats in de hoofdlob van de bundel. Met andere woorden: groter was niet noodzakelijkerwijs beter, ook al zou een grotere ontvanger met een groter deel van de ultrasone straal interageren.
Op basis van deze omstandigheden werd een langwerpige ultrasone zender en ontvanger ontwikkeld. Deze zender vormt een brede hoofdlob in het brandpunt, en de ontvanger stemt de energie van de verzonden straal met hoge efficiëntie af.
“De combinatie van een gefocusseerde straal en een goed op elkaar afgestemde ontvanger zorgt ervoor dat langwerpige ultrasone zender en ontvanger een aanzienlijk hogere energieafgifte kunnen bereiken vergeleken met conventionele op ultrasone golven gebaseerde draadloze energieoverdrachtsystemen”, zegt professor Chang.
De efficiëntie van het systeem werd zowel onder water als door 50 mm varkensweefsel getest. De langwerpige ontvanger kon een batterij in 1,8 uur volledig opladen via het weefsel, wat ruim binnen het bereik ligt dat vereist is voor commerciële batterijen.
“Wij geloven dat deze bevindingen een springplank zullen zijn voor een aanzienlijke vooruitgang in op ultrasoon gebaseerde technologie voor draadloze energieoverdracht”, zegt Chang. “Het innovatieve ontwerp en de bewezen effectiviteit ervan bieden een enorm potentieel voor het aandrijven van de volgende generatie diep implanteerbare biomedische apparaten.”
Meer informatie:
Sungwoo Kang et al., Langwerpige piëzo-elektrische ultrasone energieoogstmachine voor krachtig draadloos opladen van energie, Nano-energie (2024). DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109618
Tijdschriftinformatie:
Nano-energie
Geleverd door Daegu Gyeongbuk Instituut voor Wetenschap en Technologie (DGIST)
