Ultradźwiękowe zasilanie otwiera drogę do implantowania czipów głęboko w mózgu

Podstawowy problem wszystkich elektronicznych implantów, umieszczanych w ciele – jak je zasilać? W złotych latach siedemdziesiątych przez chwilę nawet mieliśmy na rynku rozruszniki serca z nuklearnymi bateriami betawoltaitcznymi, ale to raczej nie wróci. Interesującym pomysłem jest wykorzystanie fal radiowych, ale i to rozwiązanie ma wiele problemów, o dziwo nie tylko inżynieryjnych, ale też i prawnych. Badacze ze Stanfordu zaprezentowali jednak coś nowego, co pozwoli całkowicie pożegnać się z falami elektromagnetycznymi. Chcą wszczepianą elektronikę, np. interfejsy mózg-maszyna, zasilać za pomocą ultradźwięków.

Ograniczeniem jest dostępna przestrzeń, a raczej jej brak. Niestety ewolucja nie uwzględniła potrzeby umieszczenia sporych akumulatorów w jamach ciała. Nie daje też miejsca na odpowiedniej wielkości anteny odbiorcze. Małe odbiorniki dla strumieni energii nie wchodzą w grę, gdyż w praktycznie wszystkich krajach obowiązują rygorystyczne ograniczenia co do poziomu emisji promieniowania EM, zwykle wahające się od 1 do 10 mW/cm².

W wypadku ultradźwięków mamy do czynienia z ograniczeniem o nawet dwa rzędy wielkości wyższym. W Stanach Zjednoczonych to nawet 720 mW/cm². Dodatkowo, co szczególnie istotne dla implantów osadzonych głębiej w ciele, ultradźwięki są w znacznie mniejszym stopniu tłumione przez tkanki, niż promieniowanie elektromagnetyczne.

Osiągnięcie amerykańskich badaczy – Jayanta Charthada, Markusa Webera, Ting Chia Changa, Mahmouda Saadata i Amina Arbabiana – wydaje się spektakularne. Opisany w pracy pt. A mm-Sized Implantable Device with Ultrasonic Energy Transfer and RF Data Uplink for High-Power Applications prototyp to zbudowany w procesie 65 nanometrów czip o powierzchni 2 mm², z anteną o powierzchni 5 mm². Zapewnia zasilanie na poziomie nawet 100 µW, zawiera też nadajnik radiowy, pozwalający na odbieranie i wysyłanie informacji (w paśmie radiowym) z szybkością kilku megabitów na sekundę. Zarówno ultradźwiękowe zasilanie, jak i komunikacja możliwe są przez grubą warstwę tkanki – badacze w tym celu do testów wykorzystali gruby filet z kurzej piersi.

Trzeba ponownie podkreślić, że mamy do czynienia z prototypem. Produkowany w nowoczesnych procesach technologicznych czip kolejnej generacji będzie mniejszy nawet dziesięciokrotnie, czyniąc realną perspektywę neuroczipów – krzemowych układów wszczepianych bezpośrednio we włókna nerwowe. Wciąż kwestią do rozwiązania pozostaje problem chłodzenia, odprowadzenia ciepła wewnątrz ciała, ale możliwości są spore. W macierzystej uczelni wspomnianych badaczy prowadzone są badania nad wykorzystaniem takich neuroczipów do elektrostymulacji neuronów, by np. w ten sposób leczyć depresję.