ملاحظة المحرر: إن إحدى العوائق الرئيسية لمعظم الأجهزة القابلة للارتداء والزرع هي بطارياتها ، التي تحد من قدرتها المحدودة على المدى الطويل ، وقد نشرت مجلة Atlantic Atlantic مقالاً يصف العلماء الذين يحاولون حل هذه المشكلة. مساوئ الطرق المختلفة ، بما في ذلك بيزو ، tribocelectricity ، bioelectricity ، وما إلى ذلك ، ولكن الفكرة هي نفسها ، بحيث أن الجهاز للحصول على الطاقة من الجسم المضيف.
مكبرات صوت كهرضغطية.
في "ISingtheBodyElectric"، الشاعر والت ويتمان (والت ويتمان) للتعبير عن "جميلة، غريبة، والتنفس، واللحم يضحك 'من' العمل وقوة". وبعد 150 سنة، والمواد MIT عالم ومهندس فابيو · أعطى كاندان داغديفيرين وزملاؤها معنى جديدًا لقصائد ويتمان ، حيث اخترعوا جهازًا يمكنه تشويه توليد الطاقة من خلال الاستجابة لنبض القلب.
التكنولوجيا الالكترونية هي الآن قوية جدا، ذكية الحوسبة الهاتف قوة الحوسبة السلطة من وكالة ناسا في عام 1969 عندما الناس في المقام الأول على سطح القمر و. مع مرور الوقت، والتكنولوجيا قد حققت تقدما ملحوظا، والناس تريد ارتداء يمكن أيضًا أن تصبح الأجهزة المزروعة في الجسم أكثر قوة.
معظم أجهزة يمكن ارتداؤها للزرع لا يزال العائق الرئيسي هو البطارية، وقدرتها محدودة يحد استخدام على المدى الطويل. عند تشغيل بطارية جهاز تنظيم ضربات القلب بها، كنت معظم تريد القيام به هو استبدال البطاريات والمريض لعملية جراحية حل لهذه المشكلة قد تكون داخل جسم الإنسان - لأنها غنية جدا في مجال الطاقة والكيميائية والحرارية والميكانيكية العلماء دفع لدراسة مجموعة متنوعة من الأساليب، حتى أن المعدات التي تم الحصول عليها من المضيف. الطاقة وداد حلبة جيل وزملاؤها في عام 2017، "الاستعراض السنوي للهندسة الطبية الحيوية" تفعل ذلك بالتفصيل.
على سبيل المثال ، يمكن للحركة التي تشبه المنفاخ والتي يقوم بها الشخص عند التنفس أن تنتج 0.83 واط من الطاقة ؛ الحرارة من الجسم ، حتى 4.8 واط ؛ طاقة حركة ذراع الشخص ، حتى 60 واط ، إذا كنت تأخذ بعين الاعتبار جهاز تنظيم ضربات القلب فقط يحتاج الأمر إلى خمسة ملايين من الأثلاث واط للحفاظ عليه لمدة سبع سنوات ، فالمساعدات السمعية تحتاج إلى واحد من الألف من واط للحفاظ على خمسة أيام ، فالهاتف الذكي يحتاج إلى واط واحد للحفاظ على خمس ساعات ، وهذا لا معنى له.
في أيامنا هذه ، يقوم دادويلن وآخرون بتصميم الآلات التي تستخدم الجسم كمصدر للطاقة ، حيث يقوم باحثون متزايدون باختبار هذا الجهاز القابل للارتداء أو الزرع في النماذج الحيوانية والبشرية.
تتضمن استراتيجية حصاد الطاقة تحويل الطاقة من الاهتزازات والضغوط والضغوط الميكانيكية الأخرى إلى طاقة كهربائية ، وتنتج هذه الطريقة ما يسمى تأثيرات كهرضغطية ، تستخدم عادة للسماعات والميكروفونات.
مادة كهرضغطية شائعة الاستخدام هي تيتانات الرصاص الزركونيت ، ويثير محتواها الرصاصي مخاوف من أنها قد تكون شديدة السمية لجسم الإنسان ". ولكن إذا كنت تريد أن تتحلل من الهيكل ، يجب تسخينها فوق 700 درجة مئوية. قال دادويلون: "إن درجة الحرارة لن تصل أبدًا إلى درجة الحرارة هذه في جسمك".
للاستفادة من تأثير كهرضغطية، وضعت ديد حلبة جيل وزملاؤها جهاز مسطح يمكن تركيبها على القلب والرئتين والحجاب الحاجز وغيرها من الأجهزة والعضلات، وهذه الأجهزة هي 'الجهاز غير مرئية "لأنها تشبه الخواص الميكانيكية لتلك الموجودة في المواد المصفحة ، لذلك فهي لا تعرقل هذه الأنسجة أثناء التمارين الرياضية.
حتى الآن ، تم اختبار هذه المعدات على الأبقار والأغنام والخنازير ، وجميع الحيوانات لديها نفس قلب القلب البشري تقريبًا. 'عندما تكون هذه الأجهزة ملتوية ميكانيكياً ، فإنها تولد شحنات موجبة وسالبة ، الفولتية والتيارات. "يمكنك جمع هذه الطاقة لشحن البطارية" ، أوضح Dadvenen ، "يمكنك استخدامها لتشغيل جهاز طبي حيوي مثل جهاز تنظيم ضربات القلب بدلاً من تغيير كل ست أو سبع سنوات عند نفاد طاقة البطارية. ذات مرة ".
كما يقوم العلماء بتطوير حصادات الطاقة الكهربائية الكهربية القابلة للارتداء والتي يمكن استخدامها في المفاصل مثل الركب أو المرفقين ، وكذلك على الأحذية أو السراويل أو الملابس الداخلية ، وبهذه الطريقة ، يمكن للشخص المشي أو ثني ذراعه. توليد الطاقة للأجهزة الإلكترونية.
عند تصميم جهاز كهرضغطية ، قد يتعارض الناس بشكل بديهي لا يريدون استخدام المواد التي هي الأفضل في توليد الكهرباء ، على سبيل المثال ، قد ترغب فقط في مادة لا تتعدى كفاءة 2٪ أو أقل ، بدلاً من اختيار مادة يمكن أن تكون 5٪ وقال دادويلن: "إن المادة التي تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ، إذا تحولت أكثر" ، فإنها قد تضيف المزيد من الحمل إلى الجسم ، ولا تريد أن يجعلك تشعر بالتعب.
وهناك طريقة مختلفة لجمع الطاقة وهي استخدام المواد الحرارية الكهربائية لتحويل حرارة الجسم إلى كهرباء ، ويقول دادديل: "ينبض قلبك أكثر من 40 مليون مرة في السنة. كل هذه الطاقة تنبعث في الجسم كحرارة - هذا مصدر غني للطاقة الكامنة التي يمكن استخدامها لأغراض أخرى.
هو مولد الحرارية تواجه بالفعل بعض التحديات الرئيسية، وهي تعتمد على الفرق في درجة الحرارة، ولكن الهيئات الشعبية عادة الحفاظ على درجة حرارة ثابتة إلى حد ما، حتى أن الفرق في درجة الحرارة المولدة ليست كافية لإنتاج كميات كبيرة من الكهرباء. ومع ذلك، إذا كنت الحفاظ على درجة حرارة ثابتة في الجسم عندما كما يتعرض الجهاز للهواء البارد نسبيا ، وهذا ليس مشكلة.
العلماء على استكشاف الحرارية الأجهزة لأجهزة يمكن ارتداؤها، على سبيل المثال. ومن حيث المبدأ، يمكن للحرارة من جسم الإنسان تنتج ما يكفي من الكهرباء لتشغيل ساعة، لتوفير الطاقة للأجهزة اللاسلكية المراقبة الصحية، زراعة قوقعة، والتحفيز والتشجيع الدماغ العميق ل علاج أمراض مثل مرض باركنسون.
يحاول العلماء أيضًا استخدام تأثيرات الكهرباء الساكنة اليومية لتشغيل الجهاز ، فعندما تصطدم مادتان مختلفتان بشكل متكرر أو يفركان بعضهما البعض ، فإن سطح مادة ما يسرق الإلكترونات من سطح الآخر ، مما يؤدي إلى تراكم الشحنة. من المزايا الرئيسية للكربون الكهربائي هو أن جميع المواد تقريبا ، سواء كانت طبيعية أو اصطناعية ، يمكن أن تخلقها ، مما يعطي الباحثين مجموعة متنوعة من الاحتمالات لتصميم المعدات.
وقال المؤلف المشارك للتقرير ، وانغ تشونغ لين ، وهو خبير في تكنولوجيا النانو بمعهد جورجيا للتكنولوجيا: "كلما كنت أدرس أكثر حول التيار الكهربي ، كلما كان الأمر أكثر إثارة ، وكلما زادت تطبيقاته." على مدى العشرين سنة القادمة ، كنت أعمل على هذا.
يختلف سطح الأجهزة الكهربائية المريعية ، كما تختلف كمية الكهرباء التي يمكن أن تنتجها ، لذلك يقوم العلماء بتجربة أشكال وأشكال مختلفة ، وقد أنشأ الباحثون شبكات تكعيبية شبيهة بكتل حضرية مجهرية شبيهة بأسلاك غابات الخيزران. حقول و صفائف مشابهة لهرم الجيزة ، قال وانغ تشونغ لين أن هذه المواد ليست فقط "تبدو جميلة" ، ولكنها أيضا فعالة جدا ، فهي تغطي سطحا مع الأهرامات ويمكن أن تزيد توليد الطاقة بنسبة 5 مرات مقارنة بالألواح المسطحة.
وقد تم اختبار أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة رصد القلب وغيرها من الأجهزة القابلة للزرع التي تعمل بالطاقة عن طريق الاحتكاك التنفسي والقلبي على الجرذان والأرانب والخنازير ". كما أننا نلاحظ ما إذا كان من الممكن استخدام الكهرباء الساكنة في الجسم الحي لتحفيز نمو الخلايا و وقال وانغ تشونغ لين: "لقد قمنا بتشجيع التئام الجروح. وبالإضافة إلى ذلك ، فقد بدأنا بتجارب تحفيز الأعصاب الكهرذائي لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا المساهمة في علم الأعصاب".
كما صممت تشونغ لين وانغ وزملاؤه جهاز يمكن ارتداؤها الاحتكاك مدفوعة بالكهرباء. على سبيل المثال، وانه يمكن توجيه الاتهام لهم لإنتاج الفرقة مرنة للبطارية ليثيوم أيون التي تضم النسيج triboelectric. قد يكون مدعوم هذا المقياس ضربات القلب يمكن ارتداؤها، و وقال تشونغ لين وانغ أداة يستخدم تقنية بلوتوث لنقل البيانات لاسلكيا إلى الهاتف الذكي. "الحركة الميكانيكية العادية للبشر بواسطة قطعة قماش لدينا يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية".
تعتمد استراتيجية أخرى على جهاز يسمى خلية الوقود الحيوي، والجسم الجهاز من قبل جزيئات الوقود انزيم (على سبيل المثال، الغلوكوز في الدم) بين التفاعل الكيميائي لتوليد الكهرباء أو جزيئات الوقود التي صدرت من الجسم (مثل العرق اللاكتات يفرز) لتوليد الكهرباء، على سبيل المثال، وهو الانزيم المشتقة من الفطريات Phanerochaetesordida سيلوبيوز نازعة يمكن الالتزام بها تحلل السكر ونانومتر فقط (من البليون من المتر) واسعة على أنبوب التيار يتم إنشاء الكربون.
اختيار الإنزيم يمكن أن تكون خادعة. على سبيل المثال، عدة مجموعات من العلماء وجدوا أن الجلوكوز أوكسيديز يمكن أن تولد الطاقة الكهربائية في الفئران المختبرية زرع خلية الوقود الحيوي، ولكن أيضا إنزيم توليد بيروكسيد الهيدروجين، وهو شائع وكيل التبييض. هذا قد يقل الأداء، وعلى المدى الطويل، كما أنها مضرة للجسم.
أنابيب الكربون النانوية مسح الميكروسكوب الإلكتروني، لتوليد الطاقة الكهربائية من التجارب على الانسان الوقود الحيوي الخلية. الوقود مغطاة العلاج الانزيم الطبيعية، مثل الجلوكوز العرق في اللاكتات في الدم أو في الأنبوب، وأنها تنشط كهربائيا ويوفر مساحة واسعة للانزيم المودعة، والسماح لتوليد المزيد من الكهرباء من حجم معين.
طور العلماء الفرنسيون خلية وقود حيوي مصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية المغلفة بالإنزيمات ، وهي عبارة عن نصف ملعقة شاي فقط ، وبعد زرعها في الفئران ، يمكن أن تولد طاقة كافية من السكر في الدم. كما أظهرت التجارب أن خلايا الوقود الحيوي المنسوجة في ملابس مثل عصابات الرأس وأربطة المعصم يمكن أن تولد ما يكفي من الكهرباء بسهولة من خلال التفاعل الكيميائي مع عرق حمض اللاكتيك لتشغيل الساعة.
ووفقًا لما ذكره دادويلن ، فإن هذه الأجهزة ليست في السوق بعد ، ولكنها تتوقع أن تكون متاحة في السوق لمدة تقل عن 10 سنوات ؛ وفي المستقبل ، قد تصبح معدات حصاد الطاقة أكثر ملاءمة للجسم. إنهم يدرسون حتى النسخة القابلة للإزالة من أجهزتهم.
"تخيل"، وقالت: "وضع جهاز في الجسم، والعمل لبعض الوقت بعد ذلك، فسوف يتكسر على المستوى الجزيئي في سوائل الجسم الخاص بك لا يعبرون صدرك يمكن أن يؤخذ بها: يمكننا استخدام المواد القابلة للتحلل، مثل الحرير وأكسيد الزنك، والتي قد تكون متحللة مع مرور الوقت ".