Ako bude mať budúca technológia implantátov silu?

Nositeľné technológie sa v dnešnej dobe stávajú bežnou záležitosťou, no ďalším krokom je posunúť technológiu z toho, aby bola na našom tele, aby bola v nás. Otázkou je, ako dostanete energiu do zariadenia, ktoré vám žije pod kožou?

Vnútorné batérie

Lekárske implantáty, ktoré sú už dnes v pacientoch, zvyčajne používajú interné batérie. Lítiové batérie sú bežné, ale nie také, aké by ste našli vo svojom telefóne. Pri týchto batériách existuje riziko výbuchu, keď sa to stane, nechcete byť nikde v ich blízkosti a ešte menej mať jednu v sebe! Kardiostimulátory používajú lítium/jód-polyvinylpyridínové batérie už desaťročia. Technológia, ktorá bola prvýkrát patentovaná v roku 1972! Toto je skorý praktický príklad polovodičovej batérie, pretože má skôr tuhý ako tekutý elektrolyt.

Pri používaní internej batérie sa však vyskytujú rôzne problémy. Všetky batérie majú obmedzenú životnosť, čo znamená, že nakoniec budete potrebovať postup na ich výmenu alebo vybratie. Technológia batérií neustále napreduje a došlo k pokroku, ako napríklad flexibilné batérie bez toxických chemikálií. Preto neznevažujte vnútorné napájacie články toho či onoho druhu pre implantáty. Objavili sa dokonca aj nápady, ako napríklad použitie plutóniovej batérie podobnej zariadeniam, ktoré napájajú satelity a mimoplanetárne vozidlá.

Jedného dňa možno budeme mať bezpečné vysokokapacitné batérie s dlhou životnosťou využívajúce materiály ako grafén, ktoré sa dokážu rýchlo nabíjať. Elektrická indukcia je jedným zo spôsobov, ako nabíjať tieto batérie bez invazívnych drôtov, ale prečo nenapájať svoje implantáty priamo pomocou indukcie?

Elektrická indukcia

Elektrická indukcia nastáva, keď sa elektrická energia používa na vytvorenie magnetického poľa, ktoré potom zase vytvára elektrický prúd v cievke prijímacieho drôtu. Takto funguje bezdrôtové nabíjanie s telefónmi a uzavretými elektrickými zubnými kefkami. Indukcia nemusí mať krátky dosah, ako je to dnes pri bežnom bezdrôtovom nabíjaní.

Uskutočnilo sa niekoľko pokusov o bezdrôtové nabíjanie na veľké vzdialenosti, pričom konečným cieľom bola skutočne bezdrôtová budúcnosť. Takže v kontexte implantovateľných zariadení ich môžete napájať alebo nabíjať prostredníctvom cievok na prenos energie zabudovaných do stien vášho domova a iných budov, ktoré ľudia bežne obývajú, ako sú napríklad kancelárske budovy.

Vedci zo Stanfordu oznámili veľké pokroky v tejto oblasti už v roku 2014. Vytvorili malé implantáty, ktoré by mohli prijímať energiu bezdrôtovo a nabíjať zariadenia, ako sú kardiostimulátory.

Premena glukózy na energiu

Glukóza je jedným z najdôležitejších zdrojov energie, ktoré my ľudia využívame. Nie je to jediný spôsob, ako získavame energiu (napríklad ketónové telieska sú iné), ale s telom, ktoré je tak naplnené chemickou energiou, prečo ju nevyužiť na napájanie implantátov?

Ak by sme našli nejaký spôsob, ako premeniť glukózu v našom krvnom riečisku na elektrickú energiu, ktorú naša technológia potrebuje, možno by bolo zbytočné vkladať do nás batérie alebo sa vybíjať magnetickými poľami. Môže vám to tiež pomôcť ospravedlniť tú extra zmrzlinu pred spaním!

Toto nie je teoretické zariadenie, je to skutočná technológia známa ako glukózový palivový článok. V roku 2012 vedci a inžinieri MIT oznámili, že vyvinuli funkčný glukózový palivový článok s potenciálom napájať nervovú protetiku alebo akékoľvek iné elektronické zariadenie v tele, ktoré potrebuje šťavu, aby fungovalo. Myšlienka existuje minimálne od 70. rokov minulého storočia. Glukózový palivový článok bol dokonca považovaný za zdroj energie pre prvé kardiostimulátory, ale nakoniec zvíťazili batérie s pevným elektrolytom.

Jedným problémom s glukózovými palivovými článkami je, že dokážu akumulovať pomerne veľa energie, ale nedokážu ju uvoľniť rýchlo a na úrovni potrebnej pre moderné implantáty. V roku 2016 výskumníci zverejnili výsledky používania hybridného zariadenia, ktoré kombinuje glukózový palivový článok so superkondenzátorom, so sľubnými výsledkami.

Generátory poháňané krvou

Ľudia už po stáročia využívajú tok tekutín na výrobu energie. Vodné kolesá poskytovali mechanickú energiu pre mlyny alebo zdvíhali vodu na zavlažovanie. Dnes využívame vodné priehrady na čistú energiu poháňanú gravitáciou a kolobehom vody vyvolaným teplom zo slnka.

Prečo teda nevyužiť prietok krvi cez náš obehový systém na napájanie nanogenerátorov? V roku 2011 švajčiarski vedci odhalili malú turbínu navrhnutú tak, aby sa zmestila do ľudskej žily. Myšlienkou je odobrať niekoľko miliwattov z 1-1,5 wattu hydraulickej energie, ktorú vytvára ľudské srdce. Veľa na napájanie lekárskych implantátov a možno aj iných pokročilých implantátov jedného dňa.

Hlavnou starosťou nanogenerátorov sú krvné zrazeniny spôsobené turbulenciami. Podobný problém bol aj v prípade umelých sŕdc alebo zariadení na pomoc srdcovej činnosti, ktoré využívajú dizajn s kontinuálnym prietokom. Patria sem Bivacor a Abiomed Impella. Aj keď sa zatiaľ nezdá, že by sa tieto problémy objavili, testovanie na ľuďoch je v počiatočných fázach, takže každý môže hádať, či koagulácia z komponentov rotujúcej pumpy v našej krvi spôsobí problémy.

Umelé elektrické orgány

Ľudia možno nemajú vlastný generátor elektrickej energie, ale úhory áno! Úhory vyvinuli niečo veľmi podobné batérii, ale vyrobené z biologických buniek. Vnútri úhora je orgán, ktorý zhlukuje bunky, ktoré pôsobia ako elektrolyt, do čohokoľvek, čo účinne elektroplatničky. Prečo teda neskonštruovať umelý orgán pre ľudí, ktorý robí to isté, ale využiť túto silu na prevádzku budúcej implantovateľnej technológie?

V roku 2017 tím vedcov publikoval článok v časopise Nature, ktorý podrobne popisuje ich flexibilný, biokompatibilný „orgán“ inšpirovaný elektrickým úhorom. Táto malá elektráreň používa na prácu vodu a soľ, ale dlhodobým zámerom je namiesto toho používať telesné tekutiny. Implantované týmito biologickými zásobami energie môže byť obloha limitom, pokiaľ ide o technológiu integrovanú s našimi telami.