Die Power Challenge bei Smart Contact Lenses

Intelligente Kontaktlinsen versprechen, das Gesundheitswesen, die erweiterte Realität und den Zugang zu alltäglichen Informationen zu verändern, indem Mikroelektronik direkt auf das Auge gestellt wird. Doch der Traum von einer voll funktionsfähigen, ganztags tragbaren Linse wurde durch eine grundlegende Hürde zurückgehalten: Strom. Das Auge ist eine unversöhnliche Umgebung für Elektronik & mdash; jedes Gerät muss ultradünn, flexibel, biokompatibel und sicher sein. Traditionelle Knopfzellenbatterien sind viel zu sperrig, starr und potenziell gefährlich. Selbst die kleinste Münzzelle würde eine Linse untragbar machen und chemisches Auslaufen riskieren. Als Ergebnis mussten Forscher und Ingenieure die Energie von Grund auf neu denken, Miniatur-Energiespeicher und Erntesysteme entwerfen, die Milliwatt Leistung in einem Formfaktor liefern können, der dünner ist als ein menschliches Haar.

Der Energiebedarf einer intelligenten Kontaktlinse variiert je nach ihren Eigenschaften. Eine Linse, die einfach einmal pro Minute Glukose oder den Augeninnendruck misst, benötigt möglicherweise nur wenige Mikrowatt, während eine Linse mit einem Augmented Reality Display oder kontinuierlichem drahtlosem Datenstreaming Hunderte von Mikrowatt oder mehr erfordern könnte. Diese Anforderungen mit Sicherheit, Komfort und Langlebigkeit auszugleichen, ist die zentrale technische Herausforderung. Jüngste Durchbrüche in der Batteriechemie, drahtlose Energieübertragung und Energiegewinnung machen das einst futuristische Konzept nun zur praktischen Realität.

Miniaturisierte Batteriedurchbrüche

Die Batterietechnologie für intelligente Kontaktlinsen hat sich weit über einfache Anpassungen bestehender Münzzellen hinaus entwickelt. Forscher entwickeln kundenspezifische Batterien, die nicht nur klein, sondern auch flexibel, in einigen Fällen transparent und für einen längeren Kontakt mit dem Auge sicher sind. Diese Batterien beruhen oft auf neuen Materialien und Architekturen, die es ihnen ermöglichen, sich an die Krümmung der Hornhaut anzupassen, ohne das Sehen zu behindern oder Unbehagen zu verursachen.

Festkörperbatterien

Festkörperbatterien gelten weithin als die vielversprechendsten Kandidaten für intelligente Kontaktlinsen der nächsten Generation. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, die flüssige oder gelförmige Elektrolyte verwenden, verwenden Festkörperbatterien einen Festkörperelektrolyten. Dies eliminiert das Risiko von Leckagen, eine kritische Sicherheitsanforderung für jedes am Auge getragene Gerät. Festkörperelektrolyte ermöglichen auch dünnere, flexiblere Zellen, da sie mit Techniken wie Sputtern oder Atomschichtabscheidung als dünnere Filme abgelagert werden können.

Neuere Forschungen, die in veröffentlicht wurden, zeigten eine Festkörperlithiumbatterie mit einer Energiedichte von über 500 Wh / L, dünn genug, um in den Rand einer Kontaktlinse integriert zu werden, ohne das Sehvermögen zu beeinträchtigen. Unternehmen wie Samsung und Google-Besitz Verily Life Sciences haben Patente eingereicht für Festkörperbatteriedesigns, die sich direkt in die Linsenperipherie integrieren, unter Verwendung des ringförmigen Bereichs um die Pupille. Der Festkörperansatz bietet auch eine verbesserte Zykluslebensdauer und eine schnellere Ladung

Dünnschicht-Lithiumbatterien

Dünnschicht-Lithium-Batterien sind eine weitere wichtige Innovation. Diese Batterien werden hergestellt, indem Schichten von Kathode, Elektrolyt und Anode auf einem flexiblen Substrat abgeschieden werden, was zu Zellen führt, die nur wenige Dutzend Mikrometer dick sind. Unternehmen wie Cymbet und Imprint Energy haben flexible, wiederaufladbare Dünnschicht-Batterien entwickelt, die so geformt werden können, dass sie der Krümmung des Auges entsprechen. Die Leistungsdichte bleibt im Vergleich zu größeren Batterien bescheiden, aber für Sensoren mit geringer Leistung und drahtlose Kommunikation können diese Dünnschichtzellen genug Energie für mehrere Stunden Dauereinsatz liefern. Fortschritte in Elektrodenmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid verbessern weiterhin die Kapazität und reduzieren die Ladezeiten.

Superkondensatoren für Burst Power

Einige intelligente Linsen-Designs kombinieren eine kleine Batterie mit einem Superkondensator. Superkondensatoren speichern Energie elektrostatisch statt chemisch, so dass sie sehr hohe Ströme in kurzen Bursts & mdash liefern können; ideal für die Stromversorgung einer drahtlosen Datenübertragung oder eines Display-Updates. Sie laden sich auch fast sofort auf und können Hunderttausende von Zyklen dauern. Jüngste Arbeiten an der University of California, Los Angeles, entwickelten einen transparenten, flexiblen Superkondensator mit Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren, die in das Linsenmaterial selbst integriert werden könnten. Während Superkondensatoren allein keine langfristige Energiespeicherung bieten können, ergänzen sie eine Batterie durch die Handhabung von Spitzenlasten und die Verlängerung der Gesamtlebensdauer des Systems.

Drahtlose Ladetechnologien

Selbst die beste Miniaturbatterie muss irgendwann aufgeladen werden. Bei intelligenten Kontaktlinsen ist das kabelgebundene Laden offensichtlich unpraktisch. Die drahtlose Energieübertragung (WPT) bietet eine nahtlose Möglichkeit, Energie aufzufüllen, ohne die Linse zu entfernen, indem induktive oder resonante Kopplung durch ein Ladegehäuse oder ein am Kopf montiertes Gerät verwendet wird.

Induktive Kopplung

Die induktive Kopplung ist die ausgereifteste Technologie für die drahtlose Aufladung von biomedizinischen Implantaten. Eine Sendespule in einem Ladegehäuse oder eine Brille erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das einen Strom in einer in die Linse eingebetteten Empfängerspule induziert. Die Empfängerspule muss klein und dünn sein, typischerweise aus Kupferdraht, der um die Linsenperipherie gewickelt oder als metallische Spirale am Linsenrand gedruckt ist. Die Leistungsübertragungseffizienz nimmt mit der Entfernung schnell ab, so dass das Ladegehäuse die Spulen nahe zusammenbringen muss (innerhalb weniger Millimeter). Frühe Prototypen von Unternehmen wie Mojo Vision und Forschern der University of Michigan haben Leistungspegel von mehreren Milliwatt über eine Entfernung von 2 – 3 mm erreicht, ausreichend, um eine kleine Batterie in wenigen Stunden aufzuladen.

Resonanzinduktive Kopplung

Resonante induktive Kopplung verbessert Reichweite und Effizienz durch Abstimmung sowohl Sender- und Empfängerspulen auf die gleiche Resonanzfrequenz. Diese Methode kann die Leistung über mehrere Zentimeter übertragen, so dass eine Linse geladen werden kann, während ein Benutzer eine speziell entwickelte Brillenfassung oder sogar eine Schlafmaske trägt. Eine 2023-Studie in IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems zeigte ein Resonanzsystem, das bei 13,56 µW an einen Kontaktlinsenempfänger lieferte, der 5 µW entfernt ist, mit einem Wirkungsgrad von 30%.

RF und NFC Charging

Die Hochfrequenz-Energiegewinnung (RF) mit Nahfeldkommunikation (NFC) wird ebenfalls untersucht. NFC arbeitet mit 13,56 MHz und wird bereits für drahtlose Zahlungen und Datenübertragung verwendet. Durch die Integration einer winzigen NFC-Antenne und eines Gleichrichters in die Linse kann das Gerät gleichzeitig Strom empfangen und mit einem externen Lesegerät kommunizieren. Obwohl die Leistungspegel niedrig sind (normalerweise 10–100 µW), reichen sie für passive Sensoren aus, die nur aufwachen und Daten regelmäßig übertragen müssen. Forscher an der University of Washington haben gezeigt, dass NFC-betriebene Kontaktlinsen in der Lage sind, Glukosespiegel zu messen und alle fünf Minuten Ergebnisse an ein Smartphone zu übertragen.

Energiegewinnung aus Körper und Umwelt

Das drahtlose Laden erfordert immer noch, dass ein Benutzer daran denkt, die Linse regelmäßig aufzuladen. Energy Harvesting-Techniken zielen darauf ab, die Betriebszeit zu verlängern, indem die Leistung aus dem eigenen Körper des Trägers oder aus Umgebungslicht gesäubert wird, wodurch die Linse wirklich autonom wird oder zumindest die Ladefrequenz reduziert wird.

Piezoelektrische Energie aus Blinken

Blinken ist eine der natürlichsten und häufigsten menschlichen Handlungen — wir blinken etwa 15–20 Mal pro Minute oder etwa 28.000 Mal pro Tag. Jeder Blinken erzeugt eine kleine mechanische Bewegung des Augenlids gegen die Linse. Forscher haben piezoelektrische Materialien entwickelt, die Spannung erzeugen, wenn sie belastet werden. Durch Einbetten einer dünnen Schicht von Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder eines Bleizirkonattitanats (PZT) in die Linse kann der Druck aus einem Blinken in elektrischen Strom umgewandelt werden. Eine 2021-Studie in Advanced Energy Materials berichtete, dass eine PVDF-basierte Energy Harvesting Linse 3–5  µJ pro Blinken erzeugen könnte, genug, um einen Glukosesensor mit niedriger Leistung für mehrere Sekunden zu betreiben. Über einen ganzen Tag könnte die kumulative Energie einen kleinen Speicherkondensator mehrmals aufladen, was einen kontinuierlichen Sensorbetrieb ermöglicht.

Thermoelektrische Generatoren aus der Augenwärme

Das menschliche Auge hält eine Temperatur um 32–34°C, während die Umgebungsluft oft kühler ist. Dieser Temperaturunterschied kann mit thermoelektrischen Generatoren (TEGs) ausgenutzt werden, die Wärmefluss in Elektrizität umwandeln. Dünnfilm-TEGs aus Wismuttellurid oder Skutterudite-Materialien können auf dem äußeren Rand der Linse abgeschieden werden. Ein 2020-Proof-of-Concept von der Universität Glasgow demonstrierte ein flexibles TEG, das 2–4 µW aus einem Temperaturgradienten von 2 µW aus einem Temperaturgradienten von 2 µW ausführte. Während diese Leistungsniveaus klein sind, sind sie kontinuierlich, was sie ideal für Sensoren mit geringer Leistung macht, die immer auf Überwachung angewiesen sind. Die jüngsten Fortschritte in der nanoskaligen Thermoelektrik haben die Effizienz verbessert, und Forscher zielen jetzt auf 10 µW aus einem Gerät in Kontaktlinsengröße.

Biokraftstoffzellen mit Tränenglukose

Für Menschen mit Diabetes ist Glukose in Tränen vorhanden, die mit Blutzucker korrelieren. Biokraftstoffzellen verwenden Enzyme, um Glukose zu oxidieren und Elektrizität zu erzeugen. Eine in eine Kontaktlinse integrierte Biokraftstoffzelle kann sowohl einen Glukosesensor antreiben als auch Echtzeitmessungen liefern. Die Anode enthält ein Enzym wie Glukoseoxidase oder Glukosedehydrogenase, die die Glukoseoxidation katalysiert, während die Kathode den Sauerstoff aus der Luft reduziert. Der resultierende Strom ist proportional zur Glukosekonzentration.

Ein Team an der University of California, San Diego, entwickelte eine Linse mit einer Miniatur-Biokraftstoffzelle, die mit natürlicher Tränenglukose pro Quadratzentimeter Elektrodenfläche produzierte. Die Energie reichte aus, um einen kleinen Transponder für die drahtlose Kommunikation mit kurzer Reichweite zu versorgen. Ein großer Vorteil von Biokraftstoffzellen ist, dass sie keine externe Ladequelle benötigen — die Tränen des Benutzers ’ liefern sowohl den Kraftstoff als auch das Sensorsignal.

Solarzellen und Umgebungslichtnutzung

Visibles Licht ist in den meisten Umgebungen reichlich vorhanden, und Photovoltaikzellen können extrem dünn und flexibel gemacht werden. Dye-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) und organische Photovoltaik (OPVs) können auf transparenten oder halbtransparenten Substraten hergestellt werden, so dass sie um die Linsenperipherie oder sogar über den Irisbereich gelegt werden können, wenn sie mit einer kleinen Öffnung entworfen werden. Ein 2022-Papier in Nature Energy beschrieb eine transparente OPV-Zelle, die in eine Kontaktlinse integriert ist und eine Leistungskonversionseffizienz von 8,5% unter Innenbeleuchtung (200–500 Lux) erreicht, wodurch 5–10 µW. Dies ist genug, um einen Temperatur- oder Intraokulardrucksensor kontinuierlich zu versorgen.

Integration und Design Überlegungen

Die Wahl einer Energielösung ist nur die halbe Miete; die Integration in eine funktionale intelligente Kontaktlinse erfordert die sorgfältige Gestaltung aller Komponenten. Die Batterie oder die Erntemaschine darf das Sehen nicht behindern, muss mindestens 24 Stunden lang biokompatibel sein und darf keine Reizungen verursachen oder den Sauerstofffluss in die Hornhaut begrenzen. Die derzeitigen Linsen verwenden typischerweise ein starres sklerales Design, das auf dem weißen Teil des Auges aufliegt und die zentrale Hornhaut frei lässt. Die gesamte Elektronik, einschließlich der Stromquelle, befindet sich im ringförmigen Bereich um die Pupille herum.

Eine weitere Herausforderung ist die Verbindung zwischen Leistungskomponenten und dem Rest des Systems. Leitbahnen müssen mit biokompatiblen Metallen wie Gold oder Platin oder mit transparenten leitfähigen Oxiden wie Indiumzinnoxid (ITO) gedruckt werden. Diese Spuren müssen flexibel genug sein, um wiederholtes Blinken und Linsenhandling zu tolerieren. Forscher erforschen auch dehnbare Elektronik, bei der Komponenten durch Schlangendrähte verbunden oder in eine weiche Polymermatrix eingebettet sind. Eine 2023er Innovation des Korean Institute of Science and Technology verwendete ein von Kirigami inspiriertes Muster, um eine Batterie und einen Schaltkreis zu bauen, die sich bis zu 50% dehnen können, ohne die Funktion zu verlieren.

Strommanagementschaltungen im Inneren des Objektivs müssen auch extrem effizient sein. Ein benutzerdefinierter Chip, der die Spannung reguliert, das Laden steuert und den Ruhestrom minimiert, ist unerlässlich. Unternehmen wie Texas Instruments und NXP haben Mikrostrommanagement-ICs entwickelt, die im Standby-Modus weniger als 1 µA verbrauchen, wodurch sie für die Integration in ein Objektiv geeignet sind. Der gesamte Leistungselektronikstapel muss in eine Parylen- oder Silikonbeschichtung eingekapselt werden, um das Auge vor potenziellen Giftstoffen oder Hitze zu schützen.

Zukünftige Richtungen und aufstrebende Forschung

Das Feld der intelligenten Kontaktlinsenstromversorgung bewegt sich rasant. Mehrere vielversprechende Möglichkeiten werden erforscht, um Linsen herzustellen, die tagsüber nie geladen werden müssen und mit gelegentlichen Nachtnachfüllungen unbegrenzt funktionieren können.

Dehnbare Batterien sind eine solche Richtung. Anstatt starre Elektroden zu verwenden, entwickeln Forscher Batterien mit Serpentinen- oder Faltenelektrodendesigns, die sich mit dem Auge dehnen und biegen können. Ein Team in Stanford hat kürzlich eine dehnbare Lithium-Ionen-Batterie mit einer Flächenkapazität von 1,5 mAh / cm² demonstriert, die ohne signifikanten Leistungsverlust auf 150% ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden könnte. Solche Batterien könnten über die gesamte Linsenperipherie platziert werden, wodurch die Energiespeicherung maximiert wird.

Hybridsysteme, die mehrere Energiequellen kombinieren, werden ebenfalls entwickelt. Zum Beispiel könnte eine Linse einen piezoelektrischen Harvester verwenden, um einen Sensor während des Tages mit einer Festkörperbatterie zu versorgen, die über Nacht drahtlos geladen wird. Oder eine Biokraftstoffzelle könnte eine Dünnfilmbatterie ergänzen, was die Zeit zwischen den Aufladungen verlängert. Diese Hybridansätze bieten Redundanz und verbesserte Energieresistenz.

Selbstheilende Elektrolyte sind eine weitere Innovation. Wenn eine Batterie einen Mikroriss entwickelt, kann ein selbstheilender Polymerelektrolyt diesen automatisch versiegeln und Leckagen und Kurzschlüsse verhindern. Forscher der University of Illinois haben einen Elektrolyten auf Polyurethanbasis entwickelt, der innerhalb von Sekunden bei Körpertemperatur heilen kann, was möglicherweise die Sicherheit und Lebensdauer von Kontaktlinsenbatterien erhöht.

Schließlich wird die drahtlose Energieübertragung über längere Strecken mit Ultraschall oder laserbasierten Methoden untersucht. Ultraschall kann durch Gewebe reisen und könnte es ermöglichen, dass eine Linse von einem kleinen Patch hinter dem Ohr oder von einem Smartphone aufgeladen wird. Laserleistungsstrahl, der eine Sichtlinie erfordert, könnte Milliwatt Leistung an eine Linse von einer Deckenquelle liefern. Beide sind in einem frühen Stadium, könnten aber schließlich die Notwendigkeit für eine physische Verbindung oder einen Ladefall beseitigen.

Schlussfolgerung

Die Stromversorgung einer intelligenten Kontaktlinse ist eines der schwierigsten technischen Probleme bei tragbaren Geräten, aber die jüngsten Innovationen machen Hindernisse zu Chancen. Miniatur-Festkörperbatterien und Dünnfilmzellen bieten jetzt eine sichere, flexible Energiespeicherung. Drahtloses Laden über induktive oder resonante Kopplung bietet eine bequeme Möglichkeit, sich täglich aufzuladen. Energiegewinnung durch Blinken, Körperwärme, Tränen und Umgebungslicht verspricht, den Bedarf an externer Energie zu reduzieren oder zu eliminieren. Jeder Ansatz hat seine Stärken, und die praktischsten Linsen werden wahrscheinlich eine Kombination aus Speicherung und Absaugung verwenden, die auf die spezifische Anwendung zugeschnitten ist.

Im weiteren Verlauf der Forschung können wir erwarten, dass kommerzielle intelligente Kontaktlinsen einen ganzen Tag lang mit einer einzigen Ladung arbeiten, mit nahtlosem Aufladen über Nacht in einem schlanken Gehäuse. Diese Geräte überwachen Gesundheitsmetriken, zeigen Informationen an und überlagern sogar digitale Inhalte auf die reale Welt — alles ohne Kompromisse bei Komfort oder Sicherheit. Die Innovationen in Bezug auf Batterielebensdauer und Stromversorgung, die hier beschrieben werden, sind die unbesungenen Helden, die diese Vision Wirklichkeit werden lassen.