El reto de poder en los sentidos de contacto inteligentes

Los lentes de contacto inteligentes prometen transformar la salud, la realidad aumentada y el acceso a la información diaria colocando microelectrónica directamente en el ojo. Sin embargo, el sueño de un objetivo totalmente funcional, usable de todo el día se ha mantenido atrás por un obstáculo fundamental: poder. El ojo es un entorno imperdonable para la recolección de pelo electrónico & ; cualquier dispositivo debe ser ultra-thin, flexible, biocompatible, y seguro.

Los requisitos energéticos de una lente de contacto inteligente varían dependiendo de sus características. Una lente que simplemente mide la glucosa o la presión intraocular una vez por minuto puede necesitar sólo unos microvatios, mientras que una lente con una pantalla de realidad aumentada o una secuencia de datos inalámbricos continua puede requerir cientos de microvatios o más. Equilibrar estas demandas con seguridad, comodidad y longevidad es el reto de ingeniería central, los últimos avances en la química de batería,

Avances de batería minimizados

La tecnología de baterías para lentes de contacto inteligentes ha ido más allá de las simples adaptaciones de las células de monedas existentes. Los investigadores están desarrollando baterías personalizadas que no son sólo pequeñas, sino también flexibles, transparentes en algunos casos, y seguras para un contacto prolongado con el ojo. Estas baterías a menudo dependen de nuevos materiales y arquitecturas que les permitan conformarse con la curvatura de la córnea sin obstaculizar la visión o causar molestia.

Baterías de Estado sólido

Las baterías de estado sólido se consideran ampliamente como el candidato más prometedor para las lentes de contacto inteligente de próxima generación. A diferencia de las baterías convencionales de iones de litio que utilizan electrolitos líquidos o geles, las baterías de estado sólido emplean un electrolito sólido.Esto elimina el riesgo de fuga, un requisito de seguridad crítico para cualquier dispositivo usado en el ojo.

Baterías de litio de tin-Film

Las baterías de litio de relleno grueso son otra innovación clave. Estas baterías se fabrican mediante el depósito de capas de catodo, electrolito y ánodo en un sustrato flexible, dando como resultado células que son sólo unas pocas decenas de micrometros de espesor. Empresas como Cymbet e Imprint Energy han desarrollado baterías de carga fina flexibles y recargables que pueden ser moldeadas para adaptarse a la curvatura del ojo.

Supercapacitadores para el poder de la explosión

Algunos diseños inteligentes de lentes combinan una pequeña batería con un supercapacitador. Los supercapacidores almacenan energía electrostáticamente en lugar de químicamente, permitiéndoles entregar corrientes muy altas en cortos & mdash; ideal para alimentar una transmisión de datos inalámbrica o una actualización de pantalla. También cobran casi instantáneamente y pueden durar cientos de miles de ciclos.

Tecnologías de carga inalámbricas

Incluso la mejor batería de miniatura necesitará recargar. Para lentes de contacto inteligentes, la carga cableada es obviamente poco práctico. La transferencia de energía inalámbrica (WPT) ofrece una manera perfecta de reponer energía sin quitar la lente, utilizando acoplamiento inductivo o resonante a través de una caja de carga o un dispositivo montado en la cabeza.

Coupling inductivo

El acoplamiento inductivo es la tecnología de carga inalámbrica más madura para implantes biomédicos. Una bobina transmisora en un caso de carga o un par de gafas genera un campo magnético alterno que induce una corriente en una bobina de receptor incrustada en la lente. La bobina receptora debe ser pequeña y fina, típicamente hecha de herida de alambre de cobre alrededor de la periferia de la lente o impresa como una espiral metálica en el borde de la lente.

Resonante Inductive Coupling

El acoplamiento inductivo resonante mejora el alcance y la eficiencia mediante la colocación de bobinas transmisoras y receptoras a la misma frecuencia resonante. Este método puede transferir potencia a varios centímetros, permitiendo que un objetivo se carga mientras un usuario está usando un marco de gafas especialmente diseñado o incluso una máscara de sueño. Un estudio de 2023 en

RF and NFC Charging

También se está explorando la captación de energía de radiofrecuencia (RF) mediante comunicación de campo cercano (NFC). NFC funciona en 13.56 curvanbsp;MHz y ya se utiliza para pagos inalámbricos y transferencia de datos. Al integrar una pequeña antena NFC y rectificador en la lente, el dispositivo puede simultáneamente recibir energía y comunicarse con un lector externo.

Energy Harvesting from the Body and Environment

La carga inalámbrica todavía requiere que un usuario recuerde recargar el objetivo regularmente. Las técnicas de recolección de energía tienen como objetivo ampliar el tiempo operativo mediante la descarga de energía del portador Pulrsquo; su propio cuerpo o de la luz ambiente, haciendo que el objetivo sea verdaderamente autónomo o al menos reduciendo la frecuencia de carga.

Energía piezoeléctrica de Blinking

El glaciar es uno de los más naturales y frecuentes acciones humanas & ; que se conectan alrededor de 15 latitudes; 20 veces por minuto, o alrededor de 28.000 veces por día. Cada parpadeo produce un pequeño movimiento mecánico del párpado contra el objetivo.

Generadores termoeléctricos de calor ocular

Los investigadores de baja potencia de los ojos humanos mantienen una temperatura alrededor de 32 latitudes;34 cúbicas; C, mientras que el aire circundante es más fresco. Esta diferencia de temperatura se puede explotar utilizando generadores termoeléctricos (TEG) que convierten el flujo de calor en electricidad. TEGs de espesores hechos de bismuth Telluride o skutterudite materiales pueden ser depositados en el borde exterior de la lente.

Biofuel Cells Using Tear Glucose

La energía de los glóbulos internos se encuentra presente en lágrimas a niveles que correlacionan con glucosa en sangre. Las células biocombustibles utilizan enzimas para oxidar la glucosa y generar electricidad. Una célula biocombustible integrada en un lente de contacto puede potenciar un sensor de glucosa y proporcionar lecturas en tiempo real.

Celdas solares y cosechadora de luz ambiiente

La luz recargable es abundante en la mayoría de los entornos, y las células fotovoltaicas pueden ser fabricadas en sustratos transparentes o semitransparentes, lo que permite colocarlas alrededor de la periferia de la lente o incluso sobre el área del iris, si se diseñó con una abertura pequeña [LT]

Consideraciones de integración y diseño

Elegir una solución de potencia es sólo la mitad de la batalla; integrarla en un lente de contacto inteligente funcional requiere un diseño cuidadoso de cada componente. La batería o la cosechadora no debe obstruir la visión, debe ser biocompatible por lo menos 24 horas de desgaste, y no debe causar irritación o limitar el flujo de oxígeno a la córnea. Los lentes actuales suelen utilizar un diseño esclerástico rígido que descansa en la parte blanca del ojo, dejando la córnea clara.

Otro reto es la interconexión entre componentes de energía y el resto del sistema. Los rastros conductores deben ser impresos usando metales biocompatibles como el oro o el platino, o usando óxidos conductivos transparentes como el óxido de estaño indio (ITO). Estos rastros deben ser lo suficientemente flexibles para tolerar el parpadeo repetido y el manejo de lentes.

Los circuitos de gestión de energía dentro de la lente también necesitan ser extremadamente eficientes. Un chip personalizado que regula el voltaje, controla la carga y minimiza la corriente quiescente es esencial. Empresas como Texas Instruments y NXP han desarrollado ICs de gestión de micro-poder que consumen menos de 1 curvanbsp; ácido;A en modo standby, haciéndolos adecuados para la integración en una lente.

Future Directions and Emerging Research

El campo de la potencia inteligente de lente de contacto se mueve rápidamente. Se están explorando varias vías prometedoras para hacer lentes que nunca necesitan carga durante el día y pueden operar indefinidamente con reposiciones ocasionales de la noche a la mañana.

Las baterías estables] son una de tales direcciones. En lugar de utilizar electrodos rígidos, los investigadores están desarrollando baterías con diseños de electrodo serpentina o arrugada que pueden estirarse y doblarse con el ojo. Un equipo en Stanford recientemente demostró una batería de iones de litio estirable con una capacidad de areal de 1,5 litros rendimiento de pérdida de máximosp; que podría ser 15 % original.

] Sistemas hidráulicos que combinan múltiples fuentes de energía también están siendo diseñados. Por ejemplo, un objetivo podría utilizar un cosechador piezoeléctrico de parpadear a alimentar un sensor durante el día, con una batería de estado sólido que se carga inalámbricamente durante la noche. O una célula de biocombustible podría complementar una batería de carga fina, prolongando el tiempo entre recargas.

Los electrolitos auto-sanadores] son otra innovación. Si una batería desarrolla un microcráfico, un electrolito de polímero auto-sanador puede sellarlo automáticamente, evitando fugas y cortocircuitos. Los investigadores de la Universidad de Illinois han desarrollado un electrolito basado en poliuretano que puede sanar en segundos a la temperatura corporal, potencialmente aumentando la seguridad y las lentes de vida.

Finalmente, transmisión de potencia sin cables a distancias más largas] está siendo investigada usando métodos ultrasónicos o basados en láser. El ultrasonido puede viajar a través del tejido y podría permitir que una lente se cargue desde un pequeño parche detrás del oído o desde un smartphone. El rayo de energía láser, mientras que requiere la línea de visión, podría ofrecer milliwatts de poder a una lente desde un techo.

Conclusión

Potenciar un lente de contacto inteligente es uno de los problemas de ingeniería más difíciles en dispositivos de desgaste, pero las innovaciones recientes están convirtiendo obstáculos en oportunidades. Las baterías de estado sólido miniatura y las células de relleno delgado ahora proporcionan un almacenamiento energético seguro y flexible. La carga inalámbrica mediante acoplamiento inductivo o resonante ofrece una manera conveniente de recargar diariamente. La recolección de energía de pestañeo, calor corporal, lágrimas y promesas de luz ambiente para reducir o eliminar la necesidad de su energía práctica.

A medida que la investigación continúa, podemos esperar ver lentes comerciales de contacto inteligente que operan durante un día completo sobre una sola carga, con cargas de noche sin fisuras en un caso elegante. Estos dispositivos monitorizarán las métricas de salud, la información de visualización, e incluso superponer el contenido digital en el mundo real & mdash; todo sin comprometer la comodidad o seguridad. Las innovaciones en la vida de la batería y la fuente de alimentación descrita aquí son los héroes ines inestables que hacen que esa visión una realidad.