Ενέργεια που παράγεται… εν ριπή οφθαλμού

Μια μικροσκοπική μπαταρία ενσωματώνεται σε «έξυπνους» φακούς επαφής και παρέχει ενέργεια, χωρίς να χρειάζεται επαναφόρτιση ή εξάρτηση από εξωτερικές ενεργειακές πηγές.

Οι smart τεχνολογίες μεταμορφώνουν τον κόσμο μας. Οι «έξυπνες» τηλεοράσεις, τα κινητά τηλέφωνα και τα ρομπότ έχουν ήδη ενσωματωθεί στην καθημερινή μας ζωή. Επίσης, η αύξηση των «έξυπνων» wearable συσκευών φέρνει «επανάσταση» και στον ιατρικό τομέα. Για παράδειγμα, οι «έξυπνοι» φακοί επαφής αναπτύσσονται ως ουσιαστικό μέρος της υγειονομικής περίθαλψης

για τη διόρθωση της όρασης, την παροχή φαρμάκων, την ανίχνευση των επιπέδων γλυκόζης σε διαβητικούς ή την παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε ασθενείς με νευρολογικές παθήσεις. Επιπλέον, η αυξανόμενη ανάπτυξη της εικονικής πραγματικότητας και του διαδικτύου των πραγμάτων (IoT) έχει επεκτείνει την εφαρμογή των «έξυπνων» φακών επαφής και στην ψυχαγωγία. Αλλά η χρήση όλων αυτών των τεχνολογιών αναδεικνύει την ανάγκη για μια συνεχή παροχή ενέργειας από μια ανεξάρτητη, ασύρματη πηγή.

Η ευρεία χρήση των «έξυπνων» wearable συσκευών, όπως των «έξυπνων» φακών περιορίζεται επί του παρόντος από τη διαθεσιμότητα πηγών ενέργειας. Η φόρτισή τους σε πρίζες δεν είναι ρεαλιστική και η μικρή διάρκεια ζωής της μπαταρίας ή η ανάγκη μεταφοράς μιας πηγής ρεύματος είναι εξίσου περιοριστική. «Υπάρχει επιτακτική ανάγκη για νέες, λεπτές και αποτελεσματικές τεχνολογίες μπαταριών για ιατρικά wearables», επισημαίνει ο Carlos Mastrangelo, καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα των ΗΠΑ.

Κατά καιρούς έχουν αναπτυχθεί «έξυπνοι» φακοί που χρησιμοποιούν ασύρματες πηγές ενέργειας, αλλά εξακολουθούν να έχουν μειονεκτήματα. Για παράδειγμα, η μεταφορά ενέργειας μέσω ασύρματης τεχνολογίας απαιτεί μια ενσωματωμένη κεραία λήψης που δεν μπορεί να απέχει περισσότερο από δέκα εκατοστά από την ενεργειακής πηγή, η οποία συνήθως απαιτεί μια πρόσθετη συσκευή, όπως γυαλιά ή κεφαλόδεσμο.

Επιπλέον, οι μικροφωτοβολταϊκές μπαταρίες που κατασκευάζονται με ηλιακά κύτταρα έχουν ενσωματωθεί με επιτυχία σε «έξυπνους» φακούς επαφής στο παρελθόν, αλλά η παραγωγή ενέργειας τους περιορίζεται όταν λειτουργούν σε εσωτερικούς χώρους ή σε συννεφιασμένες μέρες. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες με βάση το λίθιο είναι επίσης μια λύση, αλλά είναι βιολογικά επικίνδυνες και απαιτούν υψηλά πρότυπα ασφαλείας.

«Η ανάπτυξη βιοσυμβατής και περιβαλλοντικά ανεξάρτητης παραγωγής ενέργειας είναι υψίστης σημασίας για να ανοίξει ο δρόμος για την πρακτική εφαρμογή των “έξυπνων” φακών επαφής», προσθέτει ο Mastrangelo.

Μια ακούσια, αντανακλαστική κίνηση ενεργοποιεί τους «έξυπνους» φακούς επαφής.

Σύμφωνα με μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Advanced Materials Technologies, ο Καθηγητής με την ομάδα του δημιούργησαν μια μικροσκοπική μπαταρία που παράγει τη δική της ισχύ μέσω του αντανακλαστικού ανοιγοκλεισίματος των βλεφάρων.

Η μπαταρία ενσωματώνεται σε έναν «έξυπνο» φακό επαφής και κάθε φορά που ανοιγοκλείνει το βλέφαρο παράγει ενέργεια για να λειτουργούν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα του φακού. «Αυτή είναι η πρώτη φορά που το ανθρώπινο βλέμμα χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας», λένε οι ερευνητές.

Μια μπαταρία είναι μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας που περιλαμβάνει ένα ή περισσότερα ηλεκτροχημικά στοιχεία. Ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο παράγει ρεύμα από τη ροή ηλεκτρονίων μεταξύ μιας ανόδου, κατά την οποία τα χημικά υλικά χάνουν ηλεκτρόνια (οξειδώνονται) και μιας καθόδου, όπου τα υλικά αποκτούν ηλεκτρόνια (μειώνονται). Η εν λόγω μικροσκοπική μπαταρία έχει την ιδιαιτερότητα να χρησιμοποιεί ηλεκτρολύτες των δακρύων για να λειτουργήσει και η χημική της αντίδραση περιλαμβάνει το οξυγόνο του αέρα. Έτσι, η παροχή ενέργειας είναι απεριόριστη.

Όταν τοποθετείται σε «έξυπνο» φακό επαφής, η μπαταρία ανάβει και σβήνει με το ανοιγοκλείσιμο του βλεφάρου. Το βλέφαρο μεταφέρει δάκρυα από την άνοδο στην κάθοδο επιτρέποντας τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν το μάτι είναι ανοιχτό, η μπαταρία είναι «κλειστή» επειδή η κάθοδος δεν έρχεται σε επαφή με τα δάκρυα και το κύκλωμα είναι ανοιχτό.

Το μικροσκοπικό μέγεθος της μπαταρίας είναι ιδανικό για την ενσωμάτωσή της σε «έξυπνους» φακούς επαφής, των οποίων τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα χρειάζονται ρεύμα για να λειτουργήσουν. Ωστόσο, η ενέργεια που παράγεται από αυτήν την μπαταρία θα πρέπει να αποθηκευτεί για να χρησιμοποιηθεί όταν παραστεί ανάγκη, για αυτό και οι ερευνητές δοκίμασαν τη σύνδεσή της με έναν πυκνωτή. Αυτή η στρατηγική διαχείρισης ηλεκτρικής ενέργειας καταργεί την ανάγκη επαναφόρτισης.

Η ομάδα τοποθέτησε την μπαταρία της σε έναν κοινό φακό επαφής του εμπορίου και την δοκίμασε σε ένα προσομοιωτή ματιών. Παρατήρησε ότι με τη μέση συχνότητα που ανοιγοκλείνει ένας ενήλικας τα βλέφαρα - 12 φορές το λεπτό - η μπαταρία μπορεί να παράγει αποτελεσματικά την ισχύ που απαιτείται. Οι ερευνητές είπαν ότι αυτή η ποσότητα ενέργειας ισοδυναμεί με την ενεργοποίηση ορισμένων λυχνιών LED.

Το πότε αυτή η μπαταρία που τροφοδοτείται με το ανοιγοκλείσιμο των βλεφάρων θα γίνει μέρος των σύγχρονων φορητών συσκευών, η ομάδα δεν το γνωρίζει. Ωστόσο θα επιδιώξει να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της, η οποία επί του παρόντος είναι ένας μήνας περίπου, και θα βελτιώσει τον μηχανισμό αντικατάστασής της ώστε οι χρήστες φακών να μπορούν να το κάνουν μόνοι τους.

Το άμεσο βήμα είναι η ενσωμάτωση του μικροσυστήματος σάρωσης ισχύος [μπαταρία και πυκνωτής] με τον φακό επαφής και η έναρξη δοκιμών σε ανθρώπους αφού πρώτα λάβει την έγκριση του FDA, της Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ.