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未来的植入技术将如何获得动力

导读 如今,可穿戴技术变得越来越普遍,但下一步是将技术从我们的身体转移到我们的 体内。问题是,您如何为皮肤下的设备供电?内置电池今天已经

如今,可穿戴技术变得越来越普遍,但下一步是将技术从我们的身体转移到我们的 体内。问题是,您如何为皮肤下的设备供电?

内置电池

今天已经在患者体内的医疗植入物通常使用内部电池。锂电池很常见,但不是您在手机中找到的那种。这些电池有爆炸的危险,发生这种情况时你不想靠近它们,更不用说在你里面装了!心脏起搏器几十年来一直在使用锂/碘-聚乙烯基吡啶电池。一项于 1972 年首次获得专利的技术!这是固态电池的早期实际示例,因为它具有固体而不是液体电解质。

然而,使用内置电池存在各种问题。所有电池的使用寿命都是有限的,这意味着您最终需要一个程序来更换或移除它们。电池技术不断向前发展,并取得了一些进步,例如不含有毒化学物质的柔性电池。因此,不要将一种或另一种内部电池用于植入物。甚至还有一些想法,例如使用钚电池 ,类似于为卫星和外星漫游车供电的设备。

有一天,我们可能会拥有安全、持久、高容量的电池,使用石墨烯等可以快速充电的材料。电感应是在没有侵入性电线的情况下为这些电池充电的一种方法,但为什么不直接通过感应为您的植入物供电呢?

电感应

当电能用于产生磁场时会发生电感应,然后磁场会在接收线圈中产生电流。这就是无线充电与手机和密封电动牙刷一起工作的方式。感应不必像当今常见的无线充电那样是短距离的。

已经有一些远程无线充电 的尝试,最终目标是实现真正的无线未来。因此,在植入式设备的背景下,您可以通过内置在您家和人们通常居住的其他建筑物(例如办公楼)墙壁中的电力传输线圈为它们供电或充电。

早在 2014 年,斯坦福大学的科学家就宣布在这一领域取得重大进展。他们创造了可以无线接收电力并为心脏起搏器等设备充电的微型植入物。

将葡萄糖转化为能量

葡萄糖是我们人类使用的最重要的能源之一。这不是我们获得能量的唯一方式(例如,酮体是另一种),但是对于充满化学能的身体,为什么不使用它来为植入物提供动力呢?

如果我们能找到某种方法将我们血液中的葡萄糖转化为我们的技术所需的电能,那么可能就没有必要将电池插入我们体内或用磁场爆炸我们自己了。它还可以帮助您证明睡前额外的冰淇淋是合理的!

这不是理论上的设备,而是一种真正的技术,称为葡萄糖燃料电池。2012 年,麻省理工学院的科学家和工程师宣布,他们已经开发出一种有效的葡萄糖燃料电池 ,该电池有可能为神经假肢或体内任何其他需要果汁才能工作的电子设备提供动力。这个想法至少从 1970 年代就已经存在。葡萄糖燃料电池甚至被认为是早期心脏起搏器的电源,但最终固体电解质电池胜出。

葡萄糖燃料电池的一个问题是它们可以储存相当多的能量,但它们不能快速释放能量并达到现代植入物所需的水平。2016 年,研究人员发表了使用将葡萄糖燃料电池与超级电容器相结合的混合设备的结果,取得了可喜的成果。

血能发电机

几个世纪以来,人类一直在利用液体的流动来发电。水车为磨坊提供机械动力或提升灌溉用水。今天,我们使用水力发电大坝来获得由重力和太阳热量引起的水循环提供动力的清洁能源。

那么,为什么不利用血液通过我们的循环系统来驱动纳米发电机呢?2011 年,瑞士科学家揭示了一种微型涡轮机,旨在适应人体静脉。这个想法是从人类心脏产生的 1-1.5 瓦的液压动力中提取几毫瓦。有一天,有足够的动力为医疗植入物和其他先进的植入物提供动力。

纳米发电机的主要担忧是湍流引起的血栓。使用连续流动设计的人造心脏或心脏辅助设备也存在类似的问题。其中包括Bivacor 和Abiomed Impella。尽管到目前为止这些问题似乎还没有出现,但人体测试仍处于早期阶段,因此任何人都可以猜测我们血液中旋转泵组件的凝血是否会引起问题。

人造电器官

人类可能不会自带发电机,但鳗鱼会!鳗鱼进化出的东西非常像电池,但由生物细胞制成。鳗鱼内部是一个器官,它将充当电解质的细胞聚集成任何有效的电镀。那么为什么不为人类设计一个做同样事情的人造器官,但利用这种力量来运行未来的可植入技术呢?

2017 年,一组科学家在《自然》杂志上发表了一篇论文, 详细介绍了他们受电鳗启发的灵活、生物相容的“器官”。这个小强者使用水和盐工作,但长期意图是使用体液代替。植入这些生物能量储存器,天空可能是与我们身体整合的技术的极限。

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