Kaasaskantavate seadmete ja meditsiiniliste implantaatide kasutamine inimese kehas ning vee all on kiiresti kasvamas, mistõttu muutub üha olulisemaks küsimus, kuidas neid ohutult ja tõhusalt energiaga varustada.
Traditsiooniliste lahenduste piirangud
Levinud juhtmevabad laadimistehnoloogiad, nagu elektromagnetiline induktsioon või raadiolainetel põhinev ülekandmine, omavad olulisi piiranguid. Nende võimsus jääb sageli väheseks, need on tundlikud keskkonnahäirete suhtes ning ei suuda usaldusväärselt edastada energiat selliste keskkondade kaudu nagu vesi või inimese koed. See piirab oluliselt nende kasutamist, eriti meditsiinis.
Et neid tehnoloogilisi takistusi ületada, on teadlased asunud uurima alternatiivseid lahendusi. Üheks paljutõotavaks suunaks on ultraheli kasutamine energia edastamiseks. Ultrahelilained levivad hästi vedelikes ja pehmetes kudedes, mis võimaldab neid rakendada just nendes olukordades, kus traditsioonilised meetodid on ebaefektiivsed või koguni ohtlikud.
Murrangulised tulemused avavad uusi võimalusi
Korea teadlaste meeskond on välja töötanud painduva ultrahelienergia vastuvõtja, mis toimib tõhusalt ka kõveratel pindadel. Seade on valmistatud piesoelektrilistest materjalidest, mis muudavad helilainete rõhu elektrienergiaks. Sellist vastuvõtjat saab kinnitada otse nahale või integreerida naha alla paigaldatavatesse seadmetesse.
Katsete käigus selgus, et seade suudab kolme sentimeetri paksuse vee kaudu edastada kuni 20 millivatti võimsust ning sama paksuse naha kaudu kuni 7 millivatti. Kuigi need numbrid võivad tunduda väikesed, on neist enam kui küllalt, et toita väikeseid seadmeid, nagu terviseandurid, südameimplantaadid ja muud biomeditsiinilised lahendused, võimaldades neil töötada pikka aega ilma patareisid vahetamata.
Pikem tööiga ilma operatsioonita
Üks olulisemaid uue tehnoloogia rakendusvaldkondi on laadimisvõimalus ilma invasiivse kirurgiata. Seni on enamik kehas asuvaid seadmeid, näiteks südamestimulaatorid, töötanud piiratud patareimahuga, mille tühjenemisel oli vaja kirurgilist sekkumist, et neid vahetada. Nüüd avaneb võimalus neid seadmeid laadida väljastpoolt, läbi naha, kasutades ultraheli.
Lisaks saab vastuvõtjaid ühendada akudega, kasutades neid energiasalvestitena. See tähendab, et isegi lühikesed ultrahelipulsid võivad järk-järgult akut laadida ning tagada seadmele pideva töö ka siis, kui energiasiire ei ole katkematu.
Tõhusamad generaatorid parandavad kasutegurit
Teadlased täiustavad ka teist huvitavat lahendust: triboelektrilisi nanogeneraatoreid, mis toodavad energiat ultrahelivõnkumiste abil. Varasemad versioonid olid liiga jäigad ja madala võimsusega, kuid värsked arendused on neid puudusi edukalt vähendanud.
Kasutades erimaterjale ja kihilist struktuuri, on saavutatud kõrgem pinge ja tõhusam energiakandus ka mitme sentimeetri kauguselt. Sealjuures jääb generaator toimima ka siis, kui seda painutada, mis võimaldab seda integreerida kõveratele pindadele inimese kehas või liikuvatesse tehisstruktuuridesse, näiteks tehissüdametesse.
Rakendused meditsiinis ja veekeskkonnas
Mõlemad tehnoloogiad avavad uusi võimalusi mitte ainult meditsiinis, vaid ka veealuse elektroonika arendamisel. Võib ette kujutada nutikaid andureid, mis töötavad vees ilma juhtmeteta, allveedroone, mida laetakse kontaktivabalt, ning inimkehas olevaid implantaate, mis ei vaja enam keerukaid kirurgilisi protseduure nende hoolduseks.
Sellised lahendused parandavad märkimisväärselt tervishoiuteenuste kvaliteeti: väheneb tüsistuste oht, pikeneb implantaatide tööiga ja patsiendid kogevad vähem ebamugavust. Samal ajal mõjutavad need ka teisi valdkondi, kus on vaja usaldusväärset juhtmevaba energiavarustust raskesti ligipääsetavates keskkondades.
