Здоровье на глазок: как устроены умные линзы с хитрым блоком питания

Сегодня многие ученые и инженеры сосредоточены на изобретении низкопрофильных систем, улучшающих жизнь человека. Это миниатюрные беспроводные электронные устройства с тонким и компактным дизайном. Пример таких систем — умные контактные линзы, которые могут отслеживать такие важные показатели здоровья, как уровень глюкозы в крови и внутриглазное давление. Еще девайс используют для решения проблем хронических глазных заболеваний и сухости глаз.

Многие наработки глазных микроустройств, существующие на данный момент, полагаются на внешние источники питания, которые подключаются проводным или беспроводным способами. В 2011 году ученые из Токийского университета протестировали прототип умной контактной линзы на кроликах. Однако устройство требовало проводного подключения к внешнему источнику питания, что при повседневном использовании, очевидно, было бы неудобно.

Электроэнергия при этом может доставляться к глазным устройствам без проводов. Эффективность передачи энергии в таких системах обычно низкая. Более того, такая система требует наличия внешних компонентов и аксессуаров — на лице или рядом с ним, что неудобно. Гораздо более комфортной системой будет та, где энергия собирается или генерируется непосредственно на поверхности глаза.

В исследовании ученые из Университета Юты объединили два способа получения энергии для создания блока питания, обеспечивающего электроэнергией умную контактную линзу.

Первый способ включает использование гибких кремниевых солнечных элементов. Инженеры соединили восемь жестких монокристаллических кремниевых солнечных элементов в серию, как на рисунке ниже. Для защиты от влаги, пыли и коррозии этот блок покрыли слоем полимера полидиметилсилоксана (PDMS), в быту — силикона. Это позволило достичь гибкости и высокого напряжения разомкнутой цепи.

Второй способ основан на принципе металло-воздушных батарей. В них металл (анод) реагирует с кислородом из воздуха (катод) для производства электроэнергии. Принцип работы системы, получившей название Mg-O2, основан на электрохимических реакциях между металлом и кислородом. Ученые использовали естественное моргание глаз для активации энергии системы, что послужило вторичным источником питания.

Система Mg-O2 с мигающим приводом работает по принципу металло-воздушных аккумуляторов. Схематично это показано на рисунке ниже.

Активация механизма Mg-O2, использующего слезы в качестве электролита во время моргания, состоит из трех основных этапов:

• Выключенный режим. Когда веки полностью открыты, электролит (слеза) не соприкасается с устройством, и система находится в выключенном состоянии.
• Активация анода. При полузакрытых веках электролит контактирует с металлическим анодом, вызывая реакции окисления и образование электронов.
• Производство энергии. Когда веки полностью закрыты, электролит контактирует с обоими электродами. Это приводит к окислению на аноде и восстановлению кислорода на катоде, что генерирует энергию.

Эффективность механизма объясняется тем, что слезы из одноименных желез распределяются по поверхности глаза при каждом моргании. Для оптимизации производительности механизма выбрали магний (Mg) из-за его высокой выходной мощности (отсюда название системы — Mg-O2) и биосовместимости, а также платину (Pt) для катода.

Режим работы с динамической защитой от загрязнений (частое перемещение электролита по устройству из-за обычного моргания) значительно увеличивает срок службы батареи по сравнению со статической батареей. В среднем в 8 раз. Есть причины, объясняющие превосходную производительность в таком режиме:

• Пополнение электролита. Слезный электролит, контактирующий с электродом Mg, обновляется при каждом моргании. Постоянная подача слез обеспечивает необходимый уровень растворенного кислорода, постоянный рН и стабильное удельное сопротивление — все это необходимо для эффективного производства энергии.
• Доступ к кислороду. Конфигурация системы Mg-O2 с открытыми порами обеспечивает практически неограниченный доступ к кислороду.

Для исследования создали автономный источник энергии, который обеспечивает постоянную мощность и импульсную энергию на выходе постоянного тока, без внешних аксессуаров или источников питания. После создания гибкого кремниевого солнечного элемента и механизма Mg-O2 ученые объединили оба источника энергии со схемой управления питанием. Сочетание гибких кремниевых солнечных элементов и системы Mg-O2, активируемой морганием, позволяет создать эффективный блок питания для умной контактной линзы.

Во-первых, система Mg-O2 генерирует импульсную мощность. Частые моргания приводят к перебоям в освещении, что также вызывает импульсную мощность у солнечных элементов. Микросистема управления питанием преобразует эти переменные выходы в стабильное напряжение постоянного тока.

Во-вторых, важно иметь накопитель энергии для компенсации слабой работы солнечных батарей при низкой освещенности. При высоком потреблении энергии система использует всю доступную и накопленную энергию. Когда устройство не используется, генерируемая энергия заряжает накопитель.

Наконец, микросистема выдает выходное напряжение 3,3 В постоянного тока — стандартное напряжение для микроконтроллеров.

Когда глаза открыты, солнечный элемент вырабатывает электроэнергию, а система Mg-O2 выключена. Когда глаза полузакрыты, солнечная батарея работает на половину своей мощности, так как частично закрыта веками.

Исследование еще на этапе разработки, и в ближайшее время мы вряд ли увидим в продаже умные контактные линзы с гибридным блоком питания. Однако их использование поможет людям поддерживать здоровье. Например, они смогут рассказать об уровне сахара в крови или с помощью датчиков отслеживать различные глазные заболевания. В частности, линзы предоставляют возможность неинвазивного и непрерывного мониторинга внутриглазного давления (ВГД), высокие показатели которого могут привести к глаукоме. Полученная информация позволит сделать план лечения более индивидуальным и вывести профилактику глаукомы на новый уровень.