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能量收集技术开启医疗应用新局

2022-09-29 15:24:54 Emily Newton 阅读:
无论是用于治疗疾病、加速愈合过程或是协助医生追踪病人的状态,可穿戴和可植入医疗设备变得越来越普遍了。如果可以通过能量收集的方式供电,使用者不需要经历充电或更换电池的麻烦将会更有帮助……

多年来,医疗设备取得了巨大的进步,拯救生命以及帮助人们控制疾病。然而,其主要缺点之一在于它所使用的电池需要更换或充电。如今,这种情况可能不会持续太久了,因为研究人员已经在能够收集能量的器件上取得了进展,为开发人员和需要这些产品的应用带来了新的选择。108ednc

无需更换心脏起搏器电池

数以百万计的人依靠起搏器和其他可植入心脏设备来保持心脏正常功能。然而,这些东西每十年或更早就需要更换电池。更换电池就需要再为患者动手术。除了与那些持续进行程序相关的费用之外,任何手术都存在有并发症的风险。108ednc

美国达特茅斯学院的研究人员希望利用心脏的能量为起搏器供电。如果这个想法实现了,就可以省去那些更换电池的例行手术。108ednc

研究团队的目标是利用连接到心脏的起搏器导线的动能。他们使用了一种叫做聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物压电薄膜,如果采用多孔结构设计,就可以将机械动作转化为电能。2019年,研究人员在开发和测试方面已经取得了长足的进展,当时认为该器件距离商用还有五年的时间。108ednc

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1:美国研究人员开发了10美分硬币大小的器件,用于获取心脏的动能并将其转化为电能,为各种植入设备供电。(图片来源:达特茅斯学院108ednc

虽然这项研究尚未商用,但对于医疗设备制造商和医生来说,这一功能可能是一个极具吸引力的卖点,他们可以评估哪些产品最适合其病人需求。这一小巧的发明可以安装在现有的心脏起搏器中,未来还可以进一步扩展以提供诸如实时监测等功能。108ednc

开发更多可在体内安全使用的设备

设计可植入医疗设备的长期挑战之一,是找到一种足够耐用的材料,可承受体内严酷多变的情况,而不至于引入有毒元素或其他并发症。108ednc

用于能量收集的压电方案提供了决定整体功率输出的各种因素。有些是内在的,如压电元件的频率常数。外在因素,如运动的加速度和幅度也很重要。正如你可能想象的,当利用这种效果时,材料的选择也至关重要。108ednc

许多用于压电设计项目的材料都是天然存在的,如牙釉质、骨骼和晶体。然而,选择生物兼容材料的另一个障碍是它们往往太硬而无法适应人体表面。取决于用途的不同,医疗设备更需要类似绷带的柔韧性。108ednc

打造生物兼容的压电驱动芯片

生物工程师们最近开发的“压电芯片”可以用来产生电刺激,以加速骨折和伤口愈合,并以维持肌肉张力来帮助中风患者。108ednc

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2:压电晶圆(图左)显示赖氨酸中间层的晶体结构。图右可以看到,这种晶很容易地弯曲以实现生物兼容性并诱导赖氨酸晶体产生电输出。(图片来源:University of Wisconsin-Madison108ednc

在这种情况下,一种名为赖氨酸的氨基酸可作为压电发电机。由生物兼容聚合物制成的外壳围绕着赖氨酸,而赖氨酸和聚合物的化学相互作用使赖氨酸进入晶体结构,并在弯曲时产生电流。研究人员认为,这项发明最终有望让人们通过自然动作加速伤口愈合过程。108ednc

这些器件的另一项巨大优势在于它们是可生物降解的。到目前为止,研究小组已经在啮齿动物的腿和胸部测试了该晶圆。等到产品自然溶解后,他们在实验室中进行了实验,没有证据显示对啮齿动物有害。108ednc

如果像这样的创新向公众开放使用,医疗设备制造商应该着重考虑突出其生物可降解方面。有些病人对于医生的可植入设备建议警惕和恐惧,这是可以理解的。然而,如果他们知道这些小设备在使用后会分解,而且是无毒的材料,应该会更坦然地接受这个想法。108ednc

创建低调的穿戴医疗设备

截至目前为止,本文提及的设备都是植入了人体内部。外在可见的产品也需要特别的考虑,以使其更有利于销售。舒适性对于鼓励用户使用并增加他们正常生活的机会的是必要的。108ednc

当目标是获取在医疗预约中可能并不明显的细节时,这一点格外重要。例如,芬兰研究人员设计了一款婴儿连身衣,可追踪婴儿的动作并监控发育。在此情况下,这种可穿戴设备不能引发婴儿的不适或烦躁是是十分关键的。108ednc

对许多成年人来说,自我意识是一个问题。优先考虑易于隐藏或在大学、工作或其他公共场所使用时不会让人感到尴尬的可穿戴医疗设备,这一点至关重要。108ednc

为此,工程师开发了另一种新的能量收集设备,能够让人们戴在棒球帽下。这种毛囊刺激设备能触发休眠结构的再生,其方法是使用纳米发电机,在传输低频电脉冲至头皮之前,被动地从佩戴者的正常动作中收集能量。108ednc

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3:研究人员在棒球帽中嵌入了通过米发电机发电的毛囊刺激设备。(图片来源:University of Wisconsin-Madison108ednc

在无毛老鼠身上进行的实验室测试显示,这种设备的效果与治疗脱发药物中的两种化合物一样好。然而,它并不像那些产品一样会引发令人不悦的副作用,如抑郁和性功能障碍等。108ednc

穿戴医疗追踪器更方便

越来越多的医疗机构使用联网的穿戴式医疗设备,追踪病人的心率到血糖等各种信息。这些产品是人们可以连续穿戴而不至于发生问题的理想产品。在现实中,大多数电池都需要定期充电,但美国北卡罗来纳州立大学的一支研究团队通过一种从人体热量获取能量的设备克服了这一障碍。这项发明是一种柔性的热电发电机(TEG)。之前大多数致力于制造可弯曲TEG的研究都没能达到刚性器件的性能。然而,研究人员对设计进行了调整,取得了令人印象深刻的结果。108ednc

他们一开始在2017年实现了TEG概念验证(PoC)。然而,工程师表示,2020年发布的升级类型更接近于刚性器件提供的效率。其中一种成分是EGaIn,这是一种镓和铟的无毒合金,具有类似于金属的延展性和导电性。108ednc

参与这项项目并合著研究论文的Mehmet Ozturk解释说:“这里的关键在于使用掺杂石墨烯薄片和EGaIn的高导热硅弹性体。这种弹性体提供了抗穿刺的机械健壮性,同时提高了器件的性能。使用这种弹性体,让我们得以将热导率(传热速率)提高6倍,从而提升了横向热传播。”108ednc

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4柔性热电采集器在柔性封装中实现刚性器件的材料质量;器件中的液态金属还能提供自我修复的能力。(图片来源:NC State University108ednc

能量收集开启更多可能性

无论是用于治疗疾病、加速愈合过程或是协助医生追踪病人的状态,可穿戴和可植入医疗设备变得越来越普遍了。如果使用者不需要经历充电或更换电池的麻烦,这些产品还会更有帮助。108ednc

除了医疗设备应用,美国无线供电初创公司Powercast CEO Charlie Goetz认为,物联网(IoT)、高级驾驶辅助系统(ADAS)与智慧城市也是与AI有关的主要领域,可望从无线电源的实施与采用中获取最大效益。108ednc

任何需要检测信息以进行预防性维护和关键性停工的工业环境都能从无线供电中受益。例如,在一处制造设施中可能有某些难以进入或危险的区域。正因为如此,某些传感器(其电池)无法更换。在此情况下,通过无线供电的传感器可以达到一劳永逸的效果(表示您不需要更换传感器的电池)。这反过来又能不间断地将信息馈送到AI中。108ednc

自动驾驶汽车也大幅得利于无线供电。如今,自动驾驶车将声纳、雷达与形状识别结合于到他们的驾驶环境中。为了让自动驾驶变得更安全且可靠,需要通过环境中的传感器来检测环境,并与周围的道路进行沟通:路灯柱、黄色路标等。更重要的是,通过无线供电的传感器,汽车可以在环境中进行通信,而不会撞到连接线,从而使其更加安全可靠。108ednc

更进一步来看,实现智慧医疗与智慧城市也不再充满着电池与电线,而是利用AI与无线供电。为了实现与远程医疗设备的通信以及智慧城市与环境之间的通信,都需要实现无线供电和充电。108ednc

(本文编译自EDN姐妹网站Embedded参考原文:Novel energy harvesting tech could reshape medical devicesSusan Hong编译)108ednc

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