Chcą ładować nasze sprzęty ultradźwiękami. Mają powód, mają metodę

Podczas prowadzonych wspólnie przez KIST (Korea Institute of Science and Technology) i Uniwersytet Korei badań opracowano elastyczny, biokompatybilny odbiornik ultradźwiękowy. Urządzenie wykorzystuje zaawansowane materiały piezoelektryczne i struktury, które dostosowują się do zakrzywień ciała lub form obudowy. Dzięki temu można przesyłać energię nawet przez kilka centymetrów wody lub tkanek nie martwiąc się o mechaniczne uszkodzenie czy osłabienie sygnału.

Obecne metody ładowania bezprzewodowego - indukcja elektromagnetyczna czy fale radiowe - świetnie sprawdzają się w naszych smartfonach i słuchawkach, ale mają swoje ograniczenia. Zasięg jest krótki, a w tkankach biologicznych czy wodzie sygnał bardzo szybko się tłumi. Ponadto generują one pole elektromagnetyczne, które może zakłócać inne urządzenia w pobliżu.

To też jest ciekawe:

Ultradźwięki, czyli fale mechaniczne o wysokiej częstotliwości, nie są pochłaniane przez wodę ani tkanki w takim samym stopniu, co radiowe czy magnetyczne. Dzięki temu można je skierować na odbiornik pod powierzchnią wody lub skóry, a ich energia zostaje przetworzona na prąd elektryczny wewnątrz niewielkiego modułu. To sprawia, że ultradźwiękowe ładowanie staje się obiecującą technologią dla medycznych implantów i urządzeń pracujących w trudnych warunkach środowiskowych.

Zespół prowadzony przez dr. Sunghoona Hura (KIST) i prof. Hyun-Cheola Songa (Uniwersytet Korei) stworzył cienki, elastyczny panel piezoelektryczny. Jego zadaniem jest zamiana fal ultradźwiękowych na prąd, nawet gdy jest on wygięty czy rozciągnięty. Projektanci skupili się na biokompatybilnych materiałach, co oznacza, że odbiornik może być bezpiecznie przyklejony do skóry lub wszczepiony tuż pod nią.

W testach laboratoryjnych udało się przesłać 20 mW mocy na odległość 3 cm w wodzie oraz 7 mW przez 3 cm ludzkiej tkanki. To wystarczająco, by zasilać niewielkie czujniki czy urządzenia medyczne o niskim poborze energii, takie jak sensory monitorujące stan zdrowia czy implantowalne stymulatory nerwowe. Do pokazowego projektu podłączono nawet LED z logo KIST - bez kabla, za to przy użyciu niewielkiego generatora ultradźwięków.

Sercem odbiornika jest warstwa materiału piezoelektrycznego o wysokiej sprawności konwersji energii mechanicznej w elektryczną. Dzięki specjalnej konstrukcji mikrowzmacniaczy i elastycznej matrycy panel można wyginać, a nawet rozciągać, bez utraty właściwości elektrycznych. W porównaniu z wcześniejszymi urządzeniami autorzy raportują kilkukrotny wzrost efektywności przetwarzania ultradźwięków na prąd.

Dopełnieniem konstrukcji jest szczelna, odporna na wilgoć obudowa oraz układ stabilizujący napięcie. Pozwala to na ciągłość pracy nawet w dynamicznych warunkach - np. na skórze pacjenta, która porusza się podczas codziennego ruchu, lub w wirujących prądach wodnych wokół czujnika zamocowanego na dnie zbiornika.

Równolegle do prac nad elastycznym odbiornikiem ultradźwiękowym badacze zademonstrowali triboelektryczne nanogeneratory zasilane ultradźwiękami (US-TENG). Najnowsza wersja, nazwana US-TENGDF-B, łączy warstwę dielektryka z nanokrystaliczną warstwą ferroelectriczną, by uzyskać większe napięcie i moc wyjściową przy łagodniejszych warunkach ultradźwiękowych.

W praktyce ten hybrydowy generator osiąga napięcie rzędu 26 V i dostarcza około 6,7 mW mocy przy dystansie 35 mm od źródła ultradźwięków. Ponownie: jego zaletą jest stabilna praca nawet przy wygięciach i docisku do nierównych powierzchni.

Najbardziej oczywistym scenariuszem użycia tej technologii są implanty medyczne: stymulatory serca, czujniki glukozy czy neurostymulatory. Ultraszybkie, ciągłe ładowanie za pomocą ultradźwięków może drastycznie zmniejszyć liczbę operacji wymieniających baterie albo - w przyszłości - całkowicie je wyeliminować.

Poza medycyną ultradźwiękowe moduły ładowania znajdą zastosowanie w urządzeniach podwodnych: dronach, sensorach jakości wody, autonomicznych pływakach badawczych czy czujnikach meteorologicznych zanurzanych w morzach i jeziorach. Tam, gdzie wymiana akumulatorów jest logistycznym koszmarem, takie rozwiązanie może okazać się strzałem w dziesiątkę.

Mimo imponujących rezultatów przed technologią stoją wyzwania: konieczność dopracowania źródeł ultradźwięków - tak, by były energooszczędne, ciche i bezpieczne dla otoczenia. Trzeba też opracować standardy kompatybilności, aby różne urządzenia mogły korzystać z uniwersalnych emiterów ultradźwięków.

W krótko- i średnioterminowej perspektywie rozwiązania te znajdą miejsce w niszowych aplikacjach medycznych lub badaniach środowiskowych. W długiej zaś - gdy ucichnie echo przeszkód technicznych i regulacyjnych - możemy spodziewać się prawdziwego wysypu urządzeń ładowanych ultradźwiękami, które zapomnimy, czym były kable i porty USB.

Obserwujmy rozwój materiałów piezoelektrycznych oraz hybrydowych układów tribo-nanogeneratorów. To one zadecydują o przewadze technologii ultradźwiękowego ładowania nad konkurencją. Równocześnie warto mieć oko na postępy w miniaturyzacji i integracji elektroniki - kluczowe, by zamysły naukowców trafiły w końcu do naszych kieszeni i kieszonek.

Choć pełna komercjalizacja może potrwać kilka lat entuzjaści elektroniki użytkowej i sprzętów do zadań specjalnych już mogą zacierać ręce. Nadchodzi czas, gdy dźwięk - a nie prąd czy magnetyzm - zasili nasze gadżety. Szczególnie te przyklejone pod skórą, jak i pracujące w głębinach oceanu. Kabel? Być może będzie archaizmem równie zabawnym, jak przerzucanie kół zębatych w maszynie parowej.