무선 장치는 초음파(위) 및 자기(아래) 소스에서 동시에 에너지를 수확한다(제공: Penn State)

새로운 장치는 자기장과 초음파 소스로부터 동시에 에너지를 수확하여 이 에너지를 인체 조직의 안전 한계 내에서 전력 임플란트로 변환하는 전기로 변환할 수 있다고 과학자들이 에너지 및 환경 과학 저널에 보고했다.

고전력 소형화 장치

"우리 장치는 현재 최첨단 장치보다 300% 더 높은 전력을 생성할 수 있기 때문에 차세대 생체 의학 응용 분야의 잠금을 해제할 수 있다."라고 펜실베니아주립대학교의 재료 과학 및 공학과 연구 교수이자 이번 연구의 공동 저자인 베드 포델(Bed Poudel)은 말했다. "단일 발전기에 두 개의 에너지원을 결합하면 장치의 특정 볼륨에서 생성되는 전력이 크게 향상될 수 있으며, 이는 이전에는 불가능했던 많은 응용 분야를 활용할 수 있다."

이 기술을 사용하면 배터리가 없는 생체전자 장치를 밀리미터 크기로 소형화할 수 있어 쉽게 이식할 수 있고 센서와 액추에이터의 분산 네트워크를 통해 몸 전체의 생리적 활동을 측정하고 조작할 수 있다. 과학자들에 따르면, 이를 통해 위험을 최소화하거나 일상 활동에 방해를 주지 않으면서 정밀하고 적응력이 뛰어난 생체전자요법이 가능해질 것이라고 한다.

기존 임플란트의 문제점

심장 박동기와 같은 기존 임플란트는 일반적으로 배터리로 구동되고 케이블을 통해 충전되며, 배터리 수명이 제한되어 있고 교체하려면 수술이 필요하므로 감염이나 기타 의학적 합병증의 위험이 있다.

임플란트를 무선으로 충전하거나 직접 전원을 공급하면 수명이 연장될 수 있지만, 기존 무선 충전 기술(예: 휴대폰, 전기 자동차에 사용됨)은 임플란트가 계속 작아지기 때문에 안전하지 않을 수 있다. 이를 위해서는 더 많은 힘이 필요하며 이는 신체에 해로울 수 있다고 연구원들은 말한다.

자기장과 압전층을 안전한 전류로 변환

새로운 장치는 에너지를 전기로 변환하기 위해 2층 프로세스를 사용한다. 한 층은 자기변형층으로, 자기장을 응력으로 변환한다. 그리고 다른 하나는 초음파 에너지(진동)를 전기장으로 변환하는 압전 장치이다. 이 조합을 통해 장치는 조직을 손상시키지 않고 전류를 생성할 수 있다.

이 기술은 또한 스마트 빌딩의 무선 센서 네트워크와 같은 것에 전력을 공급하여 에너지 및 작동 패턴을 모니터링하고 해당 정보를 원격 조정 제어 시스템에 사용하는 데에도 영향을 미친다고 과학자들은 지적했다.

국립과학재단(National Science Foundation)이 이 연구를 지원했다. 본 연구에 참여한 연구자 중 일부는 DARPA MATRIX 프로그램과 육군 RIF 프로그램의 지원을 받았다.