Вызов мощности в умных контактных линзах

Умные контактные линзы обещают трансформировать здравоохранение, дополненную реальность и повседневный доступ к информации, поместив микроэлектронику прямо на глаз. Тем не менее, мечта о полностью функциональном, носимом на весь день объективе сдерживается одним фундаментальным препятствием: питание. Глаз — это неумолимая среда для электроники — любое устройство должно быть ультратонким, гибким, биосовместимым и безопасным. Традиционные батареи на кнопочных элементах слишком громоздки, жесткие и потенциально опасные. Даже самая маленькая ячейка монеты сделает объектив неносимым и рискует химической утечкой. В результате исследователям и инженерам пришлось переосмыслить мощность с нуля, спроектировав миниатюрные системы хранения и сбора энергии, которые могут доставлять милливатты мощности в форм-факторе тоньше человеческого волоса.

Энергетические требования умной контактной линзы варьируются в зависимости от ее особенностей. Объективу, который просто измеряет глюкозу или внутриглазное давление один раз в минуту, может потребоваться всего несколько микроватт, в то время как объектив с дисплеем дополненной реальности или непрерывной беспроводной потоковой передачей данных могут потребоваться сотни микроватт или более. Балансирование этих требований с безопасностью, комфортом и долговечностью является центральной инженерной задачей. Недавние прорывы в химии аккумуляторов, беспроводной передаче энергии и сборе энергии теперь превращают некогда футуристическую концепцию в практическую реальность.

Миниатюрные прорывы аккумуляторов

Технология аккумуляторов для умных контактных линз вышла далеко за рамки простых адаптаций существующих монетных ячеек. Исследователи разрабатывают пользовательские батареи, которые не только малы, но и гибки, прозрачны в некоторых случаях и безопасны для длительного контакта с глазом. Эти батареи часто полагаются на новые материалы и архитектуры, которые позволяют им соответствовать кривизне роговицы, не мешая зрению и не вызывая дискомфорта.

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи широко считаются наиболее перспективным кандидатом на умные контактные линзы следующего поколения. В отличие от обычных литий-ионных батарей, которые используют жидкие или гелевые электролиты, твердотельные батареи используют твердый электролит. Это устраняет риск утечки, критическое требование безопасности для любого устройства, которое носится на глаз. Твердотельные электролиты также позволяют использовать более тонкие, более гибкие ячейки, потому что они могут быть депонированы в виде тонких пленок с использованием таких методов, как распыление или осаждение атомного слоя.

Недавние исследования, опубликованные в Nature Communications , продемонстрировали твердотельную литиевую батарею с плотностью энергии более 500 & nbsp;Wh / L, достаточно тонкую, чтобы быть включенной в край контактной линзы, не влияя на зрение. Такие компании, как Samsung и принадлежащие Google Verily Life Sciences, подали патенты на конструкции твердотельных батарей, которые интегрируются непосредственно в пери

Тонкие пленочные литиевые батареи

Тонкие литиевые батареи являются еще одним ключевым новшеством. Эти батареи изготавливаются путем нанесения слоев катода, электролита и анода на гибкую подложку, в результате чего клетки толщиной всего несколько десятков микрометров. Такие компании, как Cymbet и Imprint Energy, разработали гибкие, перезаряжаемые тонкопленочные батареи, которые могут быть сформированы так, чтобы соответствовать кривизне глаза. Плотность питания остается скромной по сравнению с более крупными батареями, но для маломощных датчиков и беспроводной связи эти тонкопленочные элементы могут обеспечить достаточно энергии в течение нескольких часов непрерывного использования. Достижения в электродных материалах, таких как оксид кобальта лития и оксид кобальта никеля марганца, продолжают улучшать емкость и сокращать время зарядки.

Суперконденсаторы для Burst Power

Некоторые конструкции умных линз сочетают в себе небольшую батарею с суперконденсатором. Суперконденсаторы хранят энергию электростатически, а не химически, что позволяет им доставлять очень высокие токи короткими всплесками — идеально подходит для питания беспроводной передачи данных или обновления дисплея. Они также заряжаются почти мгновенно и могут длиться сотни тысяч циклов. Недавние работы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе разработали прозрачный, гибкий суперконденсатор с использованием графена и углеродных нанотрубок, которые могут быть интегрированы в сам материал линзы. В то время как одни суперконденсаторы не могут обеспечить долгосрочное хранение энергии, они дополняют батарею, обрабатывая пиковые нагрузки и продлевая общий срок службы системы.

Технологии беспроводной зарядки

Даже самая лучшая миниатюрная батарея в конечном итоге потребует подзарядки. Для умных контактных линз проводная зарядка, очевидно, непрактична. Беспроводная передача мощности (WPT) предлагает бесшовный способ пополнения энергии без удаления объектива, используя индуктивную или резонансную связь через зарядный чехол или наушник.

Индуктивное соединение

Индуктивная связь является наиболее зрелой технологией беспроводной зарядки для биомедицинских имплантатов. Передатчик катушки в зарядном футляре или паре очков генерирует переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в катушке приемника, встроенной в линзу. Катушка приемника должна быть небольшой и тонкой, как правило, сделанной из медной проволоки, намотанной вокруг периферии линзы или напечатанной в виде металлической спирали на краю линзы. Эффективность передачи энергии быстро уменьшается с расстоянием, поэтому зарядный футляр должен сблизить катушки (в пределах нескольких миллиметров). Ранние прототипы от таких компаний, как Mojo Vision и исследователи из Мичиганского университета достигли уровней мощности в несколько милливатт на расстоянии 2–3 мм, достаточных для зарядки небольшой батареи в течение нескольких часов.

Резонансное индуктивное соединение

Резонансная индуктивная связь улучшает диапазон и эффективность, настраивая катушки передатчика и приемника на одну и ту же резонансную частоту. Этот метод может передавать мощность на несколько сантиметров, позволяя заряжать объектив, в то время как пользователь носит специально разработанную раму для очков или даже маску для сна. Исследование 2023 года в IEEE Транзакции на биомедицинских схемах и системах продемонстрировало резонансную систему, работающую на частоте 13,56 MHz, которая доставляла 250 µW к приемнику контактных линз на расстоянии 5 cm, с эффективностью 30%. Хотя все еще ниже, чем проводная зарядка, такие системы позволяют заряжать ночью без необходимости точного выравнивания.

RF и NFC зарядка

Также исследуется радиочастотный (RF) сбор энергии с помощью ближней связи (NFC). NFC работает на частоте 13,56 MHz и уже используется для беспроводных платежей и передачи данных. Интегрируя крошечную антенну NFC и выпрямитель в объектив, устройство может одновременно получать питание и общаться с внешним считывателем. Хотя уровни мощности низкие (обычно 10–100 µW), их достаточно для пассивных датчиков, которым нужно только периодически просыпаться и передавать данные. Исследователи из Вашингтонского университета продемонстрировали контактные линзы на базе NFC, способные измерять уровни глюкозы и передавать результаты на смартфон каждые пять минут.

Уборка энергии из тела и окружающей среды

Беспроводная зарядка по-прежнему требует, чтобы пользователь регулярно заряжал объектив. Методы сбора энергии направлены на увеличение рабочего времени путем отвода энергии от собственного тела пользователя или от окружающего света, что делает объектив действительно автономным или, по крайней мере, снижает частоту зарядки.

Пьезоэлектрическая энергия от мигания

Мельчение является одним из самых естественных и частых человеческих действий — мы моргаем около 15–20 раз в минуту, или около 28 000 раз в день. Каждое моргание производит небольшое механическое движение века против линзы. Исследователи разработали пьезоэлектрические материалы, которые генерируют напряжение при натяжении. Встраивая тонкий слой поливинилиден-фторида (PVDF) или композита цирконат-цирконата (PZT) в линзу, давление от мигания может быть преобразовано в электрический ток. Исследование 2021 года в Advanced Energy Materials сообщило, что линза сбора энергии на основе PVDF может генерировать 3–5 µJ за миг, достаточно для питания низкоэнергетического датчика глюкозы в течение нескольких секунд. В течение полного дня кумулятивная энергия может многократно перезаряжать небольшой конденсатор хранения, позволяя непрерывную работу датчика.

Термоэлектрические генераторы от Eye Heat

Человеческий глаз поддерживает температуру около 32–34°C, в то время как окружающий воздух часто холоднее. Эта разница температур может быть использована с использованием термоэлектрических генераторов (TEG), которые преобразуют тепловой поток в электричество. Тонкие пленочные TEG, изготовленные из теллуридного висмута или скутерудитовых материалов, могут быть осаждены на внешнем краю линзы. Доказательство концепции 2020 года из Университета Глазго продемонстрировало гибкую TEG, которая производила 2–4 µW из температурного градиента 2°C. Хотя эти уровни мощности малы, они непрерывны, что делает их идеальными для датчиков малой мощности, которые нуждаются в постоянном мониторинге. Недавние достижения в наноразмерных термоэлектриках улучшили эффективность, и исследователи теперь нацелены на 10 µW из устройства размером с контактную линзу.

Биотопливные клетки с использованием слезной глюкозы

Для людей с диабетом глюкоза присутствует в слезах на уровнях, которые коррелируют с глюкозой крови. Биотопливные клетки используют ферменты для окисления глюкозы и выработки электроэнергии. Биотопливная ячейка, интегрированная в контактную линзу, может как питать датчик глюкозы, так и обеспечивать показания в реальном времени. Анод содержит фермент, такой как глюкозооксидаза или глюкозодегидрогеназа, который катализирует окисление глюкозы, в то время как катод уменьшает концентрацию глюкозы.

] Команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала линзу с миниатюрной биотопливной ячейкой, которая производила до 200 µW на квадратный сантиметр площади электрода с использованием естественной слезной глюкозы. Энергия была достаточной для питания небольшого транспондера для беспроводной связи на короткие расстояния. Одним из основных преимуществ биотопливных клеток является то, что они не требуют внешнего источника зарядки — слезы пользователя обеспечивают как топливо, так и сигнал зондирования.

Солнечные элементы и сбор окружающего света

Видимый свет в изобилии в большинстве сред, и фотоэлектрические элементы могут быть сделаны чрезвычайно тонкие и гибкие. Красящие сенсибилизированные солнечные элементы (DSSC) и органические фотоэлектрические элементы (OPV) могут быть изготовлены на прозрачных или полупрозрачных подложках, что позволяет размещать их вокруг периферии линзы или даже над областью радужной оболочки, если они спроектированы с небольшой диафрагмой. В статье 2022 года в Nature Energy описана прозрачная ячейка OPV, интегрированная в контактную линзу, которая достигла 8,5% эффективности преобразования энергии при внутреннем освещении (200–500 люкс), производя 5–10 µW. Этого достаточно, чтобы питать датчик температуры или внутриглазного давления непрерывно. Комбинирование солнечных элементов с небольшой перезаряжаемой батареей или суперконденсатором может создать самоподдерживающееся устройство, которое только иногда нуждается в пополнении.

Интеграция и дизайн-расчеты

Выбор силового решения — это только половина битвы; интеграция его в функциональную умную контактную линзу требует тщательной конструкции каждого компонента.Батарея или комбайн не должны препятствовать зрению, должны быть биосовместимы в течение не менее 24 часов износа и не должны вызывать раздражение или ограничивать поток кислорода к роговице.Текущие линзы обычно используют жесткую конструкцию склерала, которая опирается на белую часть глаза, оставляя центральную роговицу чистой. Вся электроника, включая источник питания, размещается в кольцевой области вокруг зрачка.

Еще одна проблема - это взаимосвязь между силовыми компонентами и остальной частью системы. Проводящие следы должны печататься с использованием биосовместимых металлов, таких как золото или платина, или с использованием прозрачных проводящих оксидов, таких как оксид индия-олова (ITO). Эти следы должны быть достаточно гибкими, чтобы терпеть повторное мигание и обработку линз. Исследователи также изучают растягивающуюся электронику, где компоненты соединены серпантиновыми проводами или встроены в мягкую полимерную матрицу. В 2023 году инновация из Корейского института науки и техники использовала шаблон, вдохновленный киригами, чтобы сделать батарею и схему, которая может растягиваться до 50% без потери функции.

Схемы управления питанием внутри объектива также должны быть чрезвычайно эффективными. Необходим пользовательский чип, который регулирует напряжение, контролирует зарядку и минимизирует похолодание тока. Такие компании, как Texas Instruments и NXP, разработали микроэнергетические управляющие ИС, которые потребляют менее 1 µA в режиме ожидания, что делает их пригодными для интеграции в объектив. Весь стек силовой электроники должен быть инкапсулирован в париленовое или силиконовое покрытие для защиты глаза от любых потенциальных токсинов или тепла.

Будущие направления и новые исследования

Область питания интеллектуальных контактных линз быстро движется. В настоящее время исследуется несколько перспективных направлений для создания линз, которые никогда не нуждаются в зарядке в течение дня и могут работать бесконечно с случайными ночными пополнениями.

Растягиваемые батареи являются одним из таких направлений. Вместо использования жестких электродов исследователи разрабатывают батареи с серпантином или сморщенными конструкциями электродов, которые могут растягиваться и изгибаться глаз. Команда в Стэнфорде недавно продемонстрировала растягивающуюся литий-ионную батарею с ареальной емкостью 1,5 mAh/cm² которая может быть растянута до 150% от своей первоначальной длины без значительных потерь производительности. Такие батареи могут быть размещены по всей периферии объектива, максимизируя накопление энергии.

Гибридные системы, которые объединяют несколько источников энергии, также разрабатываются. Например, линза может использовать пьезоэлектрический комбайн от мигания до питания датчика в течение дня, с твердотельной батареей, которая заряжается беспроводным способом в течение ночи. Или биотопливный элемент может дополнять тонкопленочный аккумулятор, продлевая время между подзарядками. Эти гибридные подходы предлагают избыточность и улучшенную энергетическую устойчивость.

Самоисцеляющиеся электролиты — ещё одно новшество. Если батарея развивает микротрещину, самоисцеляющийся полимерный электролит может автоматически запечатывать её, предотвращая утечку и короткие замыкания. Исследователи из Университета Иллинойса разработали электролит на основе полиуретана, который может заживать в течение нескольких секунд при температуре тела, потенциально увеличивая безопасность и продолжительность жизни батарей контактных линз.

Наконец, беспроводная передача энергии на большие расстояния исследуется с использованием ультразвуковых или лазерных методов. Ультразвук может проходить через ткань и может позволить заряжать линзу от небольшого патча за ухом или от смартфона. Лазерное излучение мощности, требуя прямой видимости, может доставлять милливатты мощности к линзе от потолочного источника. Оба являются ранними стадиями, но в конечном итоге может устранить необходимость в любом физическом соединении или зарядном футляре.

Заключение

Питание умной контактной линзы является одной из самых сложных инженерных проблем в носимых устройствах, но последние инновации превращают препятствия в возможности. Миниатюрные твердотельные батареи и тонкопленочные элементы теперь обеспечивают безопасное, гибкое хранение энергии. Беспроводная зарядка с помощью индуктивной или резонансной связи предлагает удобный способ ежедневной зарядки. Уборка энергии от мигания, тепла тела, слез и окружающего света обещает уменьшить или устранить потребность во внешней энергии. Каждый подход имеет свои сильные стороны, и наиболее практичные линзы, вероятно, будут использовать комбинацию хранения и очистки, адаптированную к конкретному приложению.

По мере продолжения исследований мы можем ожидать, что коммерческие интеллектуальные контактные линзы, которые работают в течение целого дня на одной зарядке, с бесшовной ночной зарядкой в гладком корпусе. Эти устройства будут отслеживать показатели здоровья, отображать информацию и даже накладывать цифровой контент на реальный мир; все это без ущерба для комфорта или безопасности. Инновации в срок службы батареи и источнике питания, описанные здесь, являются невоспетыми героями, делающими это видение реальностью.