Implantaat krijgt energie via geluidsgolven

Stanford-onderzoekers hebben een implantaat ontwikkeld dat met behulp van ultrasone geluidsgolven van energie kan worden voorzien. Hun prototype is enkele millimeters groot, maar met toekomstige incarnaties zouden de implantaten verkleind moeten worden tot 'slimme chips'.

Het prototype van de medewerkers van de Stanford-universiteit is ongeveer acht bij vier millimeter groot en 2,5 millimeter dik. Vooralsnog is het niet bij mensen geïmplanteerd, maar werd kipfilet gebruikt als weefsel. Het apparaat wordt aangedreven door ultrageluid, vergelijkbaar met de ultrasone bronnen die voor echo's gebruikt worden. Geluidsgolven zetten een piëzo-elektrische ontvanger in beweging, die daarbij elektriciteit opwekt. Met een circuit wordt die energie gereguleerd, waarbij een maximum van 100 microwatt wordt geleverd, met een rendement van 54 procent. De onderzoekers kozen voor een externe energiebron, omdat accu's implantaten veelal te groot maken.

Die energie kan gebruikt worden voor medische toepassingen: zo zouden de implanteerbare smart chips gelokaliseerde elektrische pulsen kunnen afgeven om pijn te bestrijden. Uiteraard kunnen de chips ook ingezet worden om lichaamsfuncties in de gaten te houden. De meetwaarden kunnen dan via een ingebouwde zender naar een extern apparaat gestuurd worden, zodat directe feedback over behandelingen vergaard kan worden. Om die verdere miniaturisatie mogelijk te maken, hebben de onderzoekers al geëxperimenteerd met kleinere antennes voor de piëzo-elekrische ontvanger: een versie van 0,7mm bij 0,7mm bleek eveneens te werken.

Reacties (17)

Waarom geluid en b.v. geen microgolf, zoals gebruikt bij RFID?

Goede vraag. Ik weet het niet, maar heb er wel een idee over. Ik vermoed dat het is omdat piezoelektrische ontvangers kleiner en minder kwetsbaar zijn dan een spoel.

Piezoelektrische materialen genereren kleine voltages als je ze vervormd en vice versa (als je er spanning op zet, vervormen ze). Ze worden o.a. in een sanning tunneling microscope gebruikt om met grote precizie de punt van je scanning tunneling microscope over je sample te kunnen laten bewegen (http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope). In de toepassing in dit artikel worden met geluidsgolven kleine vervormingen in het weefsel en daarmee in het piezo-element geinduceerd, wat je dus een beetje stroom oplevert.

Een spoel moet windingen hebben, als je die héél klein moet opwinden moet de draad heel dun zijn en kan ik me zo voorstellen dat ze (mede door de kleine diameter waar je ze op windt) snel breken. Daarbij: een draadbreuk is sowieso zo gebeurd bij een dunne draad en het zou een beetje jammer zijn als je apparaatje dan weer het lichaam uit moet.

Zoals gezegd, of dit écht de reden is weet ik niet, maar dit is wat ik kan bedenken

[...]
Piezoelektrische materialen genereren kleine voltages als je ze vervormd en vice versa (als je er spanning op zet, vervormen ze).

Het is maar wat je klein noemt. Vonk-aanstekers voor het gas in de keuken werken ook met een piëzoelectrisch kristal en dat voltage is echt wel hoog genoeg voor een voelbare klap danwel vonken om het gas aan te steken. Een grove schatting (ik zal het later nazoeken) is zo'n 2 KV.

EDIT:

Direct piezoelectricity of some substances, like quartz, can generate potential differences of thousands of volts.

[Reactie gewijzigd door Freee!! op 17 oktober 2014 16:11]

Ah, nice, dat wist ik niet! De toepassingen die ik kende werken voornamelijk bij lage voltages (de STM, maar ook de ultrasound devices zelf gebruiken piezokristallen realiseerde ik me).

Overigens moet je er voor een hoger voltage dan ook wel flink veel kracht op zetten: "For example, a 1 cm3 cube of quartz with 2 kN (500 lbf) of correctly applied force can produce a voltage of 12500 V" (van dezelfde wiki). 2kN op een 1x1x1cm^3 kubus uitoefenen is nog best lastig denk ik ;-)

Geen goed idee, microgolven zijn namelijk schadelijk voor het lichaam. Het is bekend dat deze kankerverwekkend is bij langdurige blootstelling (geen nood, je magnetron is voldoende afgeschermd)
Meer info: http://en.wikipedia.org/wiki/Microwave#Effects_on_health

[Reactie gewijzigd door Zoida op 17 oktober 2014 13:32]

En RFID dan? Heb ik verhoogde kans op kanker in mijn hand omdat ik elke dag in en uit check?

Volgens mij is dat te zwak om diep genoeg door te dringen. Je moet die krengen immers, zonder dat er iets tussen zit, redelijk dichtbij houden.

^{Ohja kankerverwekkend...Laten we even relativeren.
"Some, but not all, studies suggest that long-term exposure may have a carcinogenic effect." volgens je eigen link. Meeste studies hebben aangetoond dat het geen effect heeft.}

Maar ja, microgolven laten watermoleculen trillen en dus verhitten. En aangezien je lichaam voor wat is t 60%(?) uit water bestaat is dat niet zo handig.
geluidsgolven zijn vrijwel onschadelijk.

By weight, the average human adult male is approximately 65% water. However, there can be considerable variation in body water percentage based on a number of factors like age, health, weight, and gender. In a large study of adults of all ages and both sexes, the adult human body averaged ~65% water. However, this varied substantially by age, sex, and adiposity (amount of fat in body composition). The figure for water fraction by weight in this sample was found to be 48 ±6% for females and 58 ±8% water for males.

Bron

microgolven zijn opzichzelf niet schadelijk voor je lichaam. Als je echter dusdanig veel intensiteit gebruikt, dat je het lichaam significant opwarmt, dán kan het pas schade doen. Daar is bij een RFID o.i.d. natuurlijk helemaal geen sprake van.

Geldt trouwens natuurlijk net zo hard voor geluidsgolven... Je kunt ook ultrasoon bijzonder schadelijk maken, wanneer de intenstiteit te hoog is. Om preparaten schoon te maken kun je ze in een ultrasoon bad leggen, waarbij de materialen kapot geschud worden. Zoiets vind jouw lichaam echt niet leuk.

[Reactie gewijzigd door AHBdV op 17 oktober 2014 17:17]

Klopt, ben iets te kort door de bocht gegaan. Het gaat hem natuurlijk over de totale hoeveelheid opgenomen/geabsorbeerd vermogen.

Er zijn vele soorten microgolf, van 300 MHz - 300 GHz. O.a. gebruikt in GSM, Bluetooth, wifi etc
Een magnetron werkt op 2,45 GHz is maar een klein deel van het spectrum van microgolven.

Edit: Waar staat dat microgolf kankerverwekkend is? Het kan tot lokale verhitting van (lichaams)weefsel leiden, met mogelijke verbranding. Maar kanker?

[Reactie gewijzigd door Geim op 17 oktober 2014 13:42]

Dus als een onderzoek een positieve conclusie heeft, waar een negatieve conclusie veel geldt kost, dan leidt jij daaruit af dat er geknoeid is met de resultaten en dat iemand daar een grote zak geld voor geeft?

Welke onderzoeken kan je dan nog wel geloven?

Ik wil best geloven dat er onderzoeken zijn die aantonen wat jij beweert, maar laat me dan zo'n onderzoek zien. Enkel jouw theorie maakt niet dat ik geloof dat er onderzoek is geweest die aantoont dat bijvoorbeeld telefoons kankerverwekkend zijn.

Hier vind je een white paper over dit concept van de groep van Stanford.

In het kort: Het gaat hier om zeer kleine implantaten, Voor RF (microgolf) energie is een antenne nodig. Dat betekent dat voor zeer kleine implantaten (in de orde van 100um) deze antenne ook zeer klein wordt. Dit heeft twee consequenties. Ten eerste moet de frequentie van de radiogolven omhoog en in het paper kun je lezen dat de verliezen in het weefsel dan enorm toenemen. Ten tweede is het op deze schaal erg moeilijk om efficiente antennes met een goede koppeling te ontwerpen.

Accoustische energie transfer is een interessant alternatief. Doordat geluidsgolven veel langzamer propageren, is de golflengte veel kleiner en dus kan de frequentie van de geluidsgolven veel lager zijn dan de RF golven (zie het paper voor de voordelen). Daarnaast heeft ultrasound op deze frequenties veel minder last van verliezen in het weefsel in vergelijking met RF.

Kortom: een interessant idee voor implantaten die zeer klein moeten worden: door de PR-machine van Stanford heel slim 'Neural dust' genoemd.

Dat is wel een stuk kleiner dan huidige toepassingen, zal operaties en implanteren van dergelijke techniek waarschijnlijk vergemakkelijken. Als je bijvoorbeeld kijkt naar een pacemaker en hoe groot dat nu is, met name door de accu's die gebruikt worden zodat vervanging zo lang mogelijk uitgesteld kan worden, kunnen ze hier een behoorlijk rendement uithalen.

Wel gaaf dat dit kan. Zou het zo zijn dat het normaal wordt in de toekomst om een dergelijk implantaat te krijgen, die controleerd op de meest voorkomende kwalen? Zodat je bepaalde afwijkingen vroegtijdig kan vaststellen en daar dan adequaat op kan reageren.