Jedes Jahr schreitet die Medizin voran - und bietet neue Arten von Prothesen, künstlichen Organen und elektronischen Geräten, die in den menschlichen Körper implantiert werden. Dementsprechend können sich immer mehr Menschen ein elektrisches "Upgrade" leisten. Das Hauptproblem der implantierbaren Elektronik besteht jedoch darin, wie Geräte, die in den Körper eingebaut sind, eine konstante und stabile Stromversorgung erhalten können.
Verschiedene Optionen zur Entnahme von Energie aus der Umwelt werden in Betracht gezogen:
Piezoelektrische Elemente (Vibration),
thermoelektrische Elemente, die mit einem Temperaturunterschied (auf die Wärme des menschlichen Körpers) arbeiten, triboelektrische
Schrittmacher und andere Geräte wurden bereits an Ratten, Kaninchen und Schweinen getestet. Diese Geräte extrahieren elektrische Ladung aus Reibung (statische Elektrizität). Es werden Experimente mit Elektronik durchgeführt, die sich von
Glukose aus menschlichem Blut und Milchsäure aus Schweiß ernährt.
Neben der Energiegewinnung aus der Umwelt werden verschiedene Methoden zur drahtlosen Energieübertragung in Betracht gezogen. Das Hauptproblem hierbei ist die Entwicklung einer garantierten sicheren Übertragungsmethode, um lebende Körpergewebe zwischen Empfänger und Sender nicht zu beschädigen.
Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben zusammen mit Kollegen von Brigham und dem Women's Hospital ein
neues System für die sichere Energieübertragung auf Radiowellen entwickelt, die sicher durch menschliches Gewebe gelangen. In Tierversuchen haben Forscher bewiesen, dass diese Methode für die Stromversorgung von Geräten geeignet ist, die sich in einer Tiefe von 10 Zentimetern im Gewebe aus einer Entfernung von 1 Meter befinden. Befinden sich die Sensoren in der Nähe der Haut, kann Energie aus einer Entfernung von bis zu 38 Metern sicher übertragen werden.
Dies sind durchaus akzeptable Eigenschaften, denen die meisten menschlichen Implantate entsprechen, einschließlich Herzschrittmachern, Gehirnimplantaten, um bestimmte Teile des Gehirns mit Licht oder elektrischen Impulsen zu stimulieren, sowie „intelligente“ Behältertabletten, die das Arzneimittel freisetzen, wenn sie den betroffenen Bereich erreichen.
Bisher konnten Wissenschaftler kein effektives drahtloses Stromversorgungssystem anbieten, das für lebendes Gewebe sicher ist. Tatsache ist, dass Radiowellen normalerweise vom Körpergewebe absorbiert werden, sodass nur ein kleiner Teil das Endgerät erreicht. Ein leistungsstarker Sender ist erforderlich, und Gewebe wird bei hohen Energien zerstört.
Um das Problem zu lösen, entwickelten die Forscher das IVN-System (In Vivo Networking). Dies ist ein Antennenarray, das Funkwellen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen aussendet. Während sich Funkwellen ausbreiten, überlappen sie sich und verbinden sich auf verschiedene Weise. An bestimmten Punkten wird die Resonanz erreicht und die Energieschwelle überwunden, bis Energie vorhanden ist, die auf ein Niveau ansteigt, das ausreicht, um den implantierten Sensor mit Strom zu versorgen.
Mit dem neuen System ist es nicht erforderlich, die genaue Position der Sensoren im Körper zu kennen, da Energie auf ein großes Gebiet übertragen wird. Dies bedeutet auch, dass Sie
mehrere Geräte gleichzeitig mit Strom versorgen
können . Sensoren, die einen starken Impuls empfangen, können Informationen gemäß dem RFID-Prinzip an die Antenne zurückleiten.
„Obwohl diese winzigen implantierbaren Geräte keine Batterien haben, können wir jetzt aus der Ferne mit ihnen kommunizieren. Dies eröffnet völlig neue Arten von medizinischen Anwendungen, sagt Fadel Adib, außerordentlicher Professor am Mass Lab des Massachusetts Institute of Technology und Hauptautor eines wissenschaftlichen Artikels, der auf der SIGCOMM-Konferenz (Association for Computing Machinery Special Interest Group für Datenkommunikation) im August 2018 vorgestellt wird. Jahre.
Durch die drahtlose Energieübertragung kann die Größe von Geräten erheblich reduziert werden: In Experimenten testete Media Lab ein Implantat mit einer Größe von etwa einem Reiskorn. Und das ist nicht die Grenze: Forscher glauben, dass die Größe weiter reduziert werden kann.
Das System wurde in Zusammenarbeit mit dem Laborpersonal des Brigham and Women's Hospital entwickelt, das derzeit an verschiedenen Arten von Smart Tablets für die Arzneimittelabgabe arbeitet, verschiedene biologische Parameter erfasst und den Magen-Darm-Trakt überwacht.
Die Medizin verwendet bereits implantierbare Elektroden zur Tiefenhirnstimulation (DBS). Diese Methode wurde ursprünglich entwickelt, um die Krämpfe zu heilen, unter denen Parkinson-Patienten leiden. Für viele Forscher ist sie eine potenziell revolutionäre Methode zur Behandlung verschiedener psychischer Erkrankungen.
Zusätzlich zur elektrischen Stimulation führen drahtlose Gehirnimplantate eine optische Stimulation durch, um die Aktivität bestimmter Gruppen von Neuronen zu stimulieren oder zu hemmen. Während diese Technik beim Menschen nicht angewendet wird, wird sie für die Behandlung vieler neurologischer Störungen als sehr vielversprechend angesehen. Derzeit werden Gehirnimplantate von einem Gerät wie einem Herzschrittmacher gesteuert, der unter die Haut implantiert wird. Wenn Sie jedoch drahtlose Energie verwenden, können Sie eine komfortablere Schaltung verwenden.
In Zukunft können leistungsstarke Repeater Energie auf Gehirnimplantate ganzer Personengruppen übertragen, was sehr praktisch ist.