La sfida di potere in Smart Contact Lenses

Gli obiettivi intelligenti di contatto promettono di trasformare la salute, la realtà aumentata e l'accesso di informazioni di tutti i giorni mettendo la microelettronica direttamente sull'occhio. Tuttavia il sogno di una lente completamente funzionale e indossabile di tutti i giorni è stato tenuto indietro da un ostacolo fondamentale: il potere. L'occhio è un ambiente indimenticabile per i ricercatori elettronici di massa — qualsiasi dispositivo deve essere ultra-sottile, flessibile, biocompatibile e sicuro.

Le esigenze energetiche di una lente di contatto intelligente variano a seconda delle sue caratteristiche. Una lente che misura semplicemente il glucosio o la pressione intraoculare una volta al minuto potrebbe avere bisogno solo di pochi microwatt, mentre una lente con un display a realtà aumentata o un continuo streaming di dati wireless potrebbe richiedere centinaia di microwatt o più.

Ripartizione della batteria miniaturizzata

La tecnologia della batteria per le lenti a contatto intelligente si è spostata molto oltre i semplici adattamenti delle celle a moneta esistenti. I ricercatori stanno sviluppando batterie personalizzate che non sono solo piccole ma anche flessibili, trasparenti in alcuni casi, e sicure per un contatto prolungato con l'occhio. Queste batterie spesso si affidano a nuovi materiali e architetture che permettono loro di conformarsi alla curvatura della cornea senza impedire la visione o causare disagio.

Batterie solide

Le batterie allo stato solido sono ampiamente considerate il candidato più promettente per le lenti a contatto intelligenti di prossima generazione. A differenza delle batterie agli ioni di litio convenzionali che utilizzano elettroliti liquidi o gel, le batterie allo stato solido impiegano un elettrolito solido. Questo elimina il rischio di perdita, un requisito di sicurezza critico per qualsiasi dispositivo indossato sull'occhio.

Batterie al litio Thin-Film

Le batterie al litio Thin-film sono un'altra innovazione chiave: queste batterie sono fabbricate depositando strati di catodo, elettrolita e anodo su un substrato flessibile, con conseguente presenza di cellule che sono solo poche decine di micrometri di spessore. Le aziende come Cymbet e Imprint Energy hanno sviluppato batterie flessibili e ricaricabili di sottile pellicola che possono essere modellate per adattarsi alla curvatura dell'occhio.

Supercondensatori per Burst Power

Alcuni progetti intelligenti di lenti combinano una piccola batteria con un supercondensatore. I supercondensatori immagazzinano energia elettrostatica piuttosto che chimicamente, permettendo loro di fornire correnti molto elevate in brevi scoppi — ideale per alimentare una trasmissione di dati wireless o un aggiornamento del display. Inoltre caricano quasi istantaneamente e possono durare per centinaia di migliaia di cicli.

Tecnologie di ricarica wireless

Per le lenti a contatto intelligenti, la ricarica a filo è ovviamente impraticabile. Il trasferimento di potenza wireless (WPT) offre un modo senza soluzione di continuità per ricaricare l'energia senza rimuovere l'obiettivo, utilizzando l'accoppiamento induttivo o risonante attraverso una custodia di ricarica o un dispositivo testa-montato.

Coupling induttivo

Un trasmettitore in una cassa di ricarica o un paio di occhiali genera un campo magnetico alternato che induce una corrente in una bobina ricevitore incorporata nella lente. La bobina del ricevitore deve essere piccola e sottile, tipicamente fatta di filo di rame avvolto intorno alla periferia dell'obiettivo o stampato come una spirale metallica sul bordo dell'obiettivo.

Risonante Induttivo Coupling

L'accoppiamento induttivo risonante migliora la gamma e l'efficienza, adattando sia le bobine trasmettitoriche che quelle riceventi alla stessa frequenza di risonanza. Questo metodo può trasferire la potenza su più centimetri, permettendo che una lente venga caricata mentre un utente indossa un telaio di vetro oculare appositamente progettato o anche una maschera di sonno.

RF e NFC Charging

La raccolta di energia da radiofrequenza (RF) tramite comunicazione a distanza (NFC) è anche in fase di esplorazione. NFC opera a 13.56  MHz ed è già utilizzata per i pagamenti wireless e il trasferimento di dati.

Rivestimento energetico dal corpo e dall'ambiente

La ricarica wireless richiede ancora un utente che ricordi di ricaricare regolarmente la lente. Le tecniche di raccolta dell'energia mirano ad estendere il tempo operativo mediante la forza di scavenging da parte di wearer’ il proprio corpo o da luce ambientale, rendendo la lente veramente autonoma o almeno riducendo la frequenza di carica.

Energia Piezoelettrica da lampeggiare

Il BLT-Bandnet è uno dei più naturali e frequenti interventi dell'uomo e si aggira intorno ai 15 < 20 volte al minuto, o circa 28.000 volte al giorno. Ogni blink produce un piccolo movimento meccanico della palpebra contro l'obiettivo. I ricercatori hanno sviluppato materiali piezoelettrici che generano tensione quando si estendono.

Generatori termoelettrici da calore dell'occhio

L'occhio umano mantiene una temperatura intorno a 32– 34° C, mentre l'aria circostante è spesso più fredda. Questa differenza di temperatura può essere sfruttata utilizzando generatori termoelettrici (TEGs) che convertono il flusso di calore in elettricità.

Celle di biocombustibile utilizzando la colla di Tear

Per le persone con diabete, il glucosio è presente in lacrime a livelli che si riferiscono al glucosio nel sangue. Le cellule del biocombusto usano gli enzimi per ossidare il glucosio e generare energia. Una cellula di biocombustibile integrata in una lente di contatto può alimentare un sensore di glucosio e fornire letture in tempo reale. L'anodo contiene un enzima come l'ossidazione di glucosio ossidasi o la di glucosio che catalizza la cellula di glucosio che catalizza.

Celle solari e illuminazione ambientale

La luce visibile è abbondante nella maggior parte degli ambienti e le celle fotovoltaiche possono essere realizzate estremamente sottili e flessibili. Le celle solari sensibili alla die (DSSC) e il fotovoltaico organico (OPV) possono essere fabbricate su substrati trasparenti o semitrasparenti, permettendo loro di essere posizionate intorno alla periferia delle lenti o anche sull'area iride se progettata con una piccola apertura.

Integrazione e Design Considerazioni

La scelta di una soluzione di alimentazione è solo la metà della battaglia; l'integrazione in una lente di contatto intelligente funzionale richiede un design attento di ogni componente. La batteria o il raccoglitore non deve ostacolare la visione, deve essere biocompatibile per almeno 24 ore di usura, e non deve causare irritazione o limitare il flusso di ossigeno alla cornea. Le lenti attuali utilizzano in genere un design scleral rigido che poggia sulla parte bianca dell'occhio, lasciando la cornea centrale chiara.

Un'altra sfida è l'interconnessione tra componenti di potenza e il resto del sistema. Le tracce conduttive devono essere stampate utilizzando metalli biocompatibili come oro o platino, o utilizzando ossidi conduttivi trasparenti come ossido di stagno indio (ITO). Queste tracce devono essere abbastanza flessibili da tollerare il battito e la manipolazione delle lenti ripetute.

I circuiti di gestione della potenza all'interno della lente devono essere estremamente efficienti. Un chip personalizzato che regola la tensione, controlla la carica e minimizza la corrente di quiescente è essenziale. Aziende come Texas Instruments e NXP hanno sviluppato IC di gestione della micro-potenza che consumano meno di 1 µA in modalità standby, rendendoli adatti per l'integrazione in una lente.

Le direzioni future e la ricerca emergente

Il campo della potenza delle lenti a contatto intelligente si sta muovendo rapidamente. Diversi viali promettenti sono in fase di esplorazione per fare le lenti che non hanno mai bisogno di ricarica durante il giorno e possono operare indefinitamente con occasionali ricarica notturna.

Le batterie robuste] sono una tale direzione. Invece di utilizzare elettrodi rigidi, i ricercatori stanno sviluppando batterie con disegni di elettrodi serpentini o rugosi che possono allungarsi e piegarsi con l'occhio. Un team di Stanford ha recentemente dimostrato una batteria di litio-ione allungabile con una capacità areale di 1,5  mAh/cm² di perdita; che potrebbe essere allungata a 150% batterie di lunghezza 150%

I sistemi Hybrid[[]] che combinano più fonti di energia sono stati progettati. Ad esempio, una lente potrebbe utilizzare un mietitore piezoelettrico da lampeggiare per alimentare un sensore durante il giorno, con una batteria a stato solido che viene caricata in modalità wireless durante la notte.

Gli elettroliti di guarigione[] sono un'altra innovazione. Se una batteria sviluppa un microcrack, un elettrolito polimerico auto-guarigionente può sigillarlo automaticamente, impedendo perdite e cortocircuiti. I ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno sviluppato un elettrolito basato su poliuretano che può guarire in pochi secondi a temperatura corporea, potenzialmente aumentando la sicurezza e la durata di vita delle batterie di contatto.

Infine, la trasmissione senza fili di potenza su distanze piÃ1 lunghe[] Ã ̈ in fase di indagine utilizzando metodi ultrasonici o laser-based.

Conclusioni

L'alimentazione di una lente di contatto intelligente è uno dei problemi di ingegneria più impegnativi nei dispositivi indossabili, ma le innovazioni recenti stanno trasformando ostacoli in opportunità. Miniature batterie a stato solido e cellule a film sottile ora forniscono un deposito sicuro, flessibile di energia. La ricarica wireless tramite l'accoppiamento induttivo o risonante offre un modo conveniente per ricaricare ogni giorno.

Come continua la ricerca, possiamo aspettarci di vedere lenti commerciali intelligenti a contatto che operano per una giornata intera su un unico costo, con una carica notturna senza soluzione di continuità in un caso elegante.Questi dispositivi monitoreranno metriche di salute, informazioni di visualizzazione e persino sovrappongono il contenuto digitale sul mondo reale — il tutto senza compromettere comfort o sicurezza. Le innovazioni nella durata della batteria e nell'alimentazione qui descritta sono gli eroi non presenti che rendono questa visione una realtà.