اختراع دستگاه تولید برق از گرما و سیگنال‌های بیوالکتریک بدن انسان

این اختراع که توسط مهندس ایرانی «زهرا مهدوی» توسعه یافته، همزمان از دو منبع برق جذب می‌کند: گرمایی که به طور طبیعی از پوست انسان تابش می‌شود و سیگنال‌های الکتریکی ریز تولید شده توسط ضربان قلب، حرکات عضلانی و فعالیت عصبی.

بر خلاف فناوری‌های موجود برداشت انرژی که به یک منبع واحد متکی هستند -مانند سلول‌های خورشیدی یا ژنراتورهای مبتنی بر حرکت- این رویکرد دو منبعی برداشت ترموالکتریک و بیوالکتریک را در یک دستگاه فشرده ترکیب می‌کند.

نحوه عملکرد

این دستگاه از دو صفحه فلزی ساخته شده از مواد رسانای مختلف تشکیل شده که روی پوست قرار می‌گیرند. وقتی گرمای بدن از این فلزات نامتجانس عبور می‌کند، اختلاف دما بین پوست گرم و هوای خنک‌تر اطراف از طریق اثر ترموالکتریک ولتاژ ایجاد می‌کند.

همزمان، یک سطح الکتروشیمیایی تخصصی روی یک صفحه، سیگنال‌های الکتریکی در سطح میکروولت را که بدن به طور مداوم تولید می‌کند جذب می‌کند؛ از ضربان منظم قلب گرفته تا انقباضات ظریف عضلانی و تکانه‌های عصبی.

هر دو جریان انرژی به خازن‌هایی وارد می‌شوند که بار را انباشت می‌کنند تا توان کافی برای راه‌اندازی لوازم الکترونیکی کوچک در دسترس باشد. مدارهای کنترل خروجی را تنظیم می‌کنند تا برق پایدار و قابل استفاده فراهم شود.

چرا اهمیت دارد؟

عمر باتری یکی از بزرگترین محدودیت‌های فناوری پوشیدنی باقی مانده است. ساعت‌های هوشمند نیاز به شارژ شبانه دارند. مانیتورهای پزشکی در زمان‌های نامناسب خاموش می‌شوند. ردیاب‌های تناسب اندام وسط تمرین از کار می‌افتند.

دستگاهی که از بدن پوشنده انرژی خود را تولید کند می‌تواند این ناراحتی‌ها را کاملاً از بین ببرد. تا زمانی که دستگاه با پوست در تماس است، به کار خود ادامه می‌دهد-بدون کابل شارژ، بدون تعویض باتری، بدون وقفه.

پیامدها فراتر از راحتی مصرف‌کننده گسترش می‌یابد. تجهیزات پزشکی که ریتم قلب، قند خون یا سایر علائم حیاتی را پایش می‌کنند می‌توانند بدون شکاف به طور مداوم کار کنند. حسگرها در مکان‌های دورافتاده می‌توانند بدون نگهداری به طور نامحدود عمل کنند. دستگاه‌های اضطراری می‌توانند بدون وابستگی به باتری‌های شارژ شده به طور قابل اعتماد کار کنند.

پتانسیل بازار

بازار جهانی دستگاه‌های پوشیدنی به سرعت در حال گسترش است و پیش‌بینی می‌شود تنها پوشیدنی‌های پزشکی تا سال ۲۰۳۰ به ۶۰ میلیارد دلار برسد. استقلال انرژی به طور مداوم به عنوان یک چالش کلیدی که مانع دستگاه‌های نسل بعدی است شناسایی شده است.

فناوری تغذیه شده از بدن می‌تواند دسته‌های جدیدی از پوشیدنی‌های همیشه روشن را باز کند که محدودیت‌های فعلی باتری آنها را غیرعملی می‌سازد. این اختراع مکانیزم اصلی و کاربردهای بالقوه را توصیف می‌کند، اگرچه محصولات تجاری حاوی این فناوری هنوز به بازار نرسیده‌اند.

آیا این اختراع می‌تواند مشکل باتری خالی در پوشیدنی‌های پزشکی را حل کند؟

هر کسی که مانیتور قلب یا حسگر گلوکز مداوم پوشیده باشد این ناراحتی را می‌شناسد: دستگاه درست زمانی که بیشتر به آن نیاز دارید نیاز به شارژ پیدا می‌کند.

یک ثبت اختراع جدید از مخترع ایرانی «زهرا مهدوی» راه‌حلی پیشنهاد می‌کند؛ دستگاهی که با استفاده از انرژی برداشت شده مستقیماً از بدن پوشنده خود را تغذیه می‌کند.

مشکل پوشیدنی‌های پزشکی

پزشکی مدرن به طور فزاینده‌ای به پایش مداوم متکی است. بیماران با مشکلات قلبی مانیتورهایی می‌پوشند که هر ضربان قلب را ردیابی می‌کند. دیابتی‌ها از حسگرهایی استفاده می‌کنند که سطح گلوکز را شبانه‌روزی اندازه می‌گیرد. بیماران سالمند آشکارسازهای سقوط می‌پوشند که می‌تواند جان آنها را نجات دهد.

اما همه این دستگاه‌ها یک ضعف مشترک دارند: باتری.

وقتی باتری‌ها تمام می‌شوند، پایش متوقف می‌شود. وقتی دستگاه‌ها نیاز به شارژ دارند، بیماران آنها را برمی‌دارند. مطالعات نشان می‌دهد که مانیتورهای پوشیدنی که نیاز به شارژ هفتگی دارند، نرخ تبعیت را به فقط ۶۰-۷۰ درصد کاهش می‌دهند.

برای دستگاه‌هایی که برای شناسایی رویدادهای نادر اما خطرناک طراحی شده‌اند -مانند ضربان قلب نامنظم یا سقوط ناگهانی- این شکاف‌ها در پوشش می‌تواند تفاوت بین شناسایی زودهنگام مشکل و از دست دادن کامل آن باشد.

راه‌حل تغذیه شده از بدن

دستگاه ثبت اختراع شده از دو منبع انرژی که همیشه هنگام پوشیدن دستگاه وجود دارند برداشت می‌کند: گرمای بدن و سیگنال‌های بیوالکتریکی. پوست انسان معمولاً گرم‌تر از هوای اطراف است.

این اختلاف دما می‌تواند از طریق اثر ترموالکتریک برق تولید کند؛ همان اصلی که در برخی سیستم‌های قدرت فضاپیما استفاده می‌شود. این دستگاه از دو فلز مختلف در تماس با پوست برای جذب این انرژی حرارتی استفاده می‌کند.

همزمان، دستگاه سیگنال‌های الکتریکی ریزی که بدن به طور طبیعی تولید می‌کند را برداشت می‌کند. هر ضربان قلب یک پالس الکتریکی کوچک تولید می‌کند. ماهیچه‌ها هنگام انقباض فعالیت الکتریکی تولید می‌کنند. اعصاب به طور مداوم سیگنال‌های الکتریکی ارسال می‌کنند. دستگاه این سیگنال‌های در سطح میکروولت را جذب کرده و به جریان قابل استفاده تبدیل می‌کند.

با ترکیب هر دو منبع، سیستم توان بیشتری نسبت به هر کدام به تنهایی تولید می‌کند؛ به طور بالقوه کافی برای راه‌اندازی نامحدود حسگرهای پزشکی کم‌مصرف.

چه کسانی می‌توانند بهره‌مند شوند؟

کاربردهای پوشیدنی‌های پزشکی خودتغذیه گسترده است:

1. بیماران قلبی می‌توانند مانیتورهایی بپوشند که هرگز نیاز به شارژ ندارند و اطمینان حاصل کنند که حتی در خواب یا سفر طولانی هیچ شکافی در داده‌های قلبی وجود ندارد.
2. دیابتی‌ها می‌توانند از مانیتورهای گلوکز استفاده کنند که ماه‌ها بدون وقفه به طور مداوم کار می‌کنند.
3. بیماران سالمند در مراکز مراقبتی می‌توانند آشکارسازهای سقوط بپوشند که هرگز نیاز به تعویض باتری ندارند(حذف یک وظیفه نگهداری که پرسنل در حال حاضر باید برای ده‌ها یا صدها ساکن مدیریت کنند).
4. بیماران پس از جراحی می‌توانند در طول بهبودی بدون مدیریت تعویض باتری توسط پرستاران پایش شوند.
5. بیماران در مناطق روستایی می‌توانند از دستگاه‌های پایش استفاده کنند جایی که شارژ منظم یا تعویض باتری غیرعملی است.

مسیر پیش رو

این ثبت اختراع فناوری زیربنایی را توصیف می‌کند، اما دستگاه‌های تجاری هنوز در دسترس نیستند. عرضه هر فناوری پزشکی جدید به بازار نیاز به آزمایش گسترده، تأیید نظارتی و توسعه تولید دارد.

با این حال، این مفهوم به یک مشکل واقعی و به طور گسترده شناخته شده در فناوری پزشکی می‌پردازد. اگر این رویکرد در مقیاس عملی ثابت شود، می‌تواند اساساً نحوه کار پایش پزشکی مداوم را تغییر دهد.

مهندسی هوشمندانه پشت یک دستگاه جدید تغذیه شده از بدن

اگر ساعت هوشمند شما هرگز نیاز به شارژ نداشت چه؟ اگر حسگرهای پزشکی می‌توانستند برای همیشه فقط با گرمای بدن شما کار کنند چه؟

یک ثبت اختراع اخیر از «مهندس زهرا مهدوی» این امکان را با یک ایده ساده و ظریف به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند: برداشت انرژی از دو منبع بدن به طور همزمان به جای فقط یکی.

دو منبع بهتر از یکی است

تلاش‌های قبلی برای دستگاه‌های تغذیه شده از بدن معمولاً روی منابع انرژی تکی تمرکز داشته‌اند. برخی گرمای بدن را با استفاده از ژنراتورهای ترموالکتریک برداشت می‌کنند.

برخی دیگر انرژی را از حرکت با استفاده از مواد پیزوالکتریک جذب می‌کنند. تعدادی تلاش کرده‌اند از سیگنال‌های بیوالکتریکی بهره ببرند.

هر رویکرد محدودیت‌هایی دارد. ژنراتورهای ترموالکتریک به اختلاف دما بین پوست و هوا نیاز دارند(که در محیط‌های گرم کاهش می‌یابد). سیستم‌های مبتنی بر حرکت فقط وقتی پوشنده حرکت می‌کند کار می‌کنند. برداشت بیوالکتریکی مقادیر بسیار کمی توان تولید می‌کند.

ثبت اختراع مهدوی رویکرد متفاوتی دارد: ترکیب برداشت ترموالکتریک و بیوالکتریکی در یک دستگاه. وقتی یک منبع انرژی کمتری تولید می‌کند، دیگری جبران می‌کند. خروجی کل از آنچه هر منبع به تنهایی می‌توانست فراهم کند بیشتر است.

جزئیات فنی

این دستگاه دو صفحه از فلزات مختلف را روی پوست قرار می‌دهد. گرمای بدن که از فلزات نامتجانس عبور می‌کند اثر ترموالکتریک ایجاد می‌کند(الکترون‌ها از طرف گرم‌تر به طرف خنک‌تر جریان می‌یابند و ولتاژ تولید می‌کنند).

یک صفحه همچنین دارای سطح تخصصی است که سیگنال‌های الکتریکی طبیعی بدن را جذب می‌کند. قلب با هر ضربان پالس‌های الکتریکی تولید می‌کند. ماهیچه‌ها در حین انقباض فعالیت الکتریکی تولید می‌کنند. اعصاب به طور مداوم سیگنال‌های الکتریکی ارسال می‌کنند. این سیگنال‌های در سطح میکروولت جمع‌آوری و به جریان تبدیل می‌شوند.

هر دو جریان انرژی خازن‌هایی را شارژ می‌کنند که در طول زمان توان انباشت می‌کنند. مدارهای کنترل خروجی را تنظیم می‌کنند تا برق پایدار مناسب برای لوازم الکترونیکی کم‌مصرف فراهم شود.

پیامدهای عملی

این رویکرد می‌تواند دسته جدیدی از دستگاه‌های پوشیدنی واقعاً بدون نیاز به نگهداری را ممکن سازد.

• مانیتورهای پزشکی می‌توانند علائم حیاتی را به طور مداوم بدون وقفه شارژ ردیابی کنند(مهم برای شناسایی ضربان قلب نامنظم یا سایر رویدادهایی که به طور غیرقابل پیش‌بینی رخ می‌دهند).
• پوشیدنی‌های مصرفی می‌توانند بدون روال شارژ شبانه به طور نامحدود کار کنند.
• حسگرهای صنعتی می‌توانند در مکان‌های دورافتاده قرار گیرند و سال‌ها بدون تعویض باتری به کار خود ادامه دهند.
• دستگاه‌های اضطراری می‌توانند بدون وابستگی به کاربران برای شارژ نگه داشتن باتری‌ها آماده بمانند. این مفهوم به ویژه با گسترش فناوری پوشیدنی به مراقبت‌های بهداشتی مرتبط است، جایی که قابلیت اطمینان بیشتر از ابزارهای مصرفی اهمیت دارد.

یک ردیاب تناسب اندام با باتری خالی یک ناراحتی است. یک مانیتور قلب با باتری خالی یک مشکل ایمنی بالقوه است.

آینده چه خواهد بود؟

این ثبت اختراع مفهوم و مکانیزم را تثبیت می‌کند. تبدیل ایده به محصولات تجاری نیاز به توسعه مهندسی، آزمایش و تأیید نظارتی برای کاربردهای پزشکی خواهد داشت.

اما بینش زیربنایی(که ترکیب دو منبع انرژی مکمل نتایج بهتری از هر کدام به تنهایی می‌دهد) نوع نوآوری عملی است که اغلب به محصولات واقعی منجر می‌شود.

چه این رویکرد خاص به بازار برسد یا نسخه‌های بهبود یافته را الهام بخشد، مشکلی که به آن می‌پردازد از بین نخواهد رفت. با مرکزی‌تر شدن دستگاه‌های پوشیدنی در مراقبت‌های بهداشتی، تقاضا برای انرژی قابل اعتماد و بدون نگهداری فقط افزایش خواهد یافت.