Milioni di persone si affidano a tecnologie mediche indossabili come apparecchi acustici, monitor per il glucosio, pompe per insulina e monitor portatili della frequenza cardiaca. Alcune di queste tecnologie sono salvavita, ma mantenerle alimentate può essere una fonte di stress. Prima che un portatore possa fare qualcosa fuori casa, deve preoccuparsi che le batterie dei propri dispositivi debbano essere caricate o sostituite, il che può seriamente limitare loro nel fare cose come il campeggio o altre attività all’aperto più lunghe.
Un gruppo di studenti dell’Università di Santa Clara ha sviluppato un biosensore indossabile che fa affidamento sull’energia termoelettrica. Il prototipo di braccialetti parzialmente stampato in 3D utilizza il calore corporeo, l’aria ambientale e i dissipatori di calore per creare una differenza di temperatura tra i moduli termoelettrici, che genera energia elettrica a bassissima tensione. Un convertitore boost aumenta la tensione al livello richiesto dalle batterie dei dispositivi medici.
“Il nostro obiettivo era utilizzare questa potenza generata per caricare le batterie dei dispositivi medici fuori dalla griglia, aumentando la libertà degli utenti dei dispositivi medici e consentendo l’accesso dei dispositivi medici a quelli senza elettricità”, spiegano i ricercatori. “Abbiamo costruito con successo un prototipo indossabile che genera la tensione richiesta da una batteria di elettrocardiogramma; tuttavia, è necessario un ulteriore modulo termoelettrico e un’ottimizzazione della dissipazione del calore per generare una corrente sufficiente a caricare la batteria. ”
Gli studenti sottolineano inoltre che il 13% della popolazione mondiale vive senza accesso all’elettricità, il che significa che non hanno accesso a dispositivi medici elettronici che devono essere regolarmente caricati. Un dispositivo medico alimentato da energia termoelettrica deve ancora arrivare sul mercato, ma il prototipo sviluppato dagli studenti è promettente.
La funzione principale del dispositivo è quella di convertire una differenza di temperatura creata dal calore corporeo e dall’aria ambiente in una tensione sufficiente per caricare la batteria di un elettrocardiogramma indossabile o un altro dispositivo medico a basso input. Consiste di quattro sottosistemi: generazione di energia, aumento di tensione, carica della batteria e indossabilità.
La stampa 3D è stata utilizzata per creare l’alloggiamento per i moduli termoelettrici, ovvero una stampante 3D Formlabs Form 2. L’alloggio può essere la parte più importante del design – gli studenti lo identificano come la base per il loro design brevettabile.
“La nostra custodia unisce in modo univoco un modulo termoelettrico e un dissipatore di calore utilizzando la plastica stampata in 3D”, affermano gli studenti. “Le nuove parti del nostro design comprendono le creste utilizzate per mantenere il dissipatore di calore in posizione, le barre per una facile connettività in serie o modelli paralleli e la robustezza dell’alloggiamento che protegge e isola elettricamente i delicati cavi del modulo termoelettrico”.
Prototipo con moduli termoelettrici integrati
La stampa 3D è stata scelta perché consentiva di ridurre notevolmente il tempo tra ogni iterazione e il materiale era resistente e abbastanza resistente da resistere agli urti e proteggere i componenti interni. Il braccialetto funziona utilizzando il calore del corpo dal polso, che riscalda il fondo dei moduli termoelettrici, mentre i dissipatori di calore dissipano il calore dalla parte superiore dei moduli. La differenza di temperatura tra i moduli crea elettricità, che viene potenziata utilizzando un convertitore boost.
Il documento continua spiegando in modo più dettagliato come viene utilizzata la temperatura per alimentare il dispositivo ed eliminare la necessità di qualsiasi tipo di ricarica esterna o fonte di alimentazione. È possibile leggere l’intero documento, intitolato “Alimentazione di un biosensore utilizzando la tecnologia termoelettrica indossabile”, qui .
Sembra quasi un’idea semplice, ed è sorprendente che nessun dispositivo medico come questo abbia mai raggiunto il mercato. Se un dispositivo come questo arriva sul mercato, potrebbe fare una grande differenza nella vita di milioni di persone. Le batterie non possono mai essere eliminate come tecnologia necessaria, ma in termini di dispositivi medicali indossabili, l’uso della temperatura per alimentarle potrebbe essere il futuro.
Autori del giornale includono Anneliese Bals, Noah Barnes, Rafael Bravo, Nicholas Garcia, Joseph O’Bryan e Dylan Santana.
