E se le batterie non si esaurissero mai?

Power without cord

Alimentare un circuito elettronico è indubitabilmente qualcosa che ci “lega”. Abbiamo necessità di trovarci in un luogo in cui sia disponibile una connessione alla rete elettrica se non vogliamo incorrere nello spiacevole inconveniente del rimanere con la batteria scarica. I campi magnetici, oggi, si candidano a risolvere bene il problema. Vediamo come.

I telefoni cellulari e le lampadine tascabili sono in grado di lavorare alimentati a batteria. Ancora, a causa della scarsa autonomia, l'alimentazione a batteria non è considerata l'opzione migliore per molte applicazioni, ad esempio nel campo della medicina oppure dei test sul campo.

Alcuni ricercatori hanno sviluppato un processo che riesce ad alimentare questi sistemi garantendogli l'alimentazione senza la necessità del collegamento via cavo.

Per più di cinquant'anni, i dispositivi pace-maker sono stati capaci di regolare il ritmo cardiaco e gli ingegneri che si sono occupati di questi apparati microelettronici hanno dovuto fare i conti con apparecchi che sono diventati sempre più sofisticati, dal punto di vista tecnologico, e di dimensioni sempre più ridotte. Questa tendenza, d'altronde, non riguarda certamente soltanto questo ambito, visto che dalla miniaturizzazione discende anche la riduzione del consumo di potenza.

Ecco che questi risultati comportano la nascita di sistemi totalmente nuovi, ad esempio quelli di tele assistenza per il monitoraggio delle funzioni vitali dei pazienti “interessanti”. Alcuni di questi sistemi potrebbero essere particolarmente utili per fare la rilevazione dei livelli di glucosio nel sangue, della pressione sanguigna e della saturazione d'ossigeno. Questo progetto ambizioso, e che riguarda l'intera Unione Europea, è meglio noto come E-health, per il quale esiste un riferimento tutto italiano.

Come molti appassionati di microelettronica già sapranno, la micro-fluidica unita con la tecnica microelettronica ha permesso l'ideazione, e per il futuro la commercializzazione anche a costo ridotto, di micro-pompe e sistemi che siano in grado di prevedere il rilascio temporizzato e continuo di alcuni farmaci per i quali i pazienti beneficiano di un trattamento che deve essere continuo perché sia maggiormente efficace.

Questi sono soltanto alcuni strumenti tecnologici che riguardano questo argomento. Molti dei sistemi di cui stiamo parlando possono essere integrati addirittura su una cintura indossabile, come già accade per i segnapassi e sistemi molto più semplici.

Tutte queste soluzioni, e molte altre ancora, sono il risultato di un complesso processo di integrazione di sonde, attuatori, trasduttori, unità adibite al controllo e al processo del segnale. Ed è proprio qui che sorge il problema: questi sistemi hanno necessità di essere alimentati e l'alimentazione non può che essere a batteria!

Attualmente, i sistemi radio basati sulla trasmissione delle onde, nonché quelli induttivi, sono quelli più comunemente utilizzati; tuttavia essi si dimostrano differentemente efficienti a seconda di dove si trovano, della loro posizione e dei movimenti che vengono fatti, o che possono esser fatti, generalmente spostandosi di poco perchè l'autonomia di movimento è comunque limitata.

È proprio per risolvere questo genere di problemi che un sistema di trasferimento di potenza deve essere sviluppato e a tal proposito i ricercatori del “Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS” a Hermsdorf sono riusciti a trasmettere potenza wireless da un modulo trasmettitore portatile ad un ricevitore. Stando a quanto dichiarato dagli studiosi, nella persona del Dr. Holger Lausch, “La forma cilindrica del modulo di trasferimento è così piccola e compatta che potrebbe essere attaccata alla cintura”.

Il trasmettitore è in grado di fornire una potenza di circa 100 mW ad una distanza di 50 cm.

Il risultato è che il ricevitore può essere posizionato praticamente dovunque sul corpo, entro e non oltre ovviamente quella distanza.

“Con il nostro dispositivo portatile” continuano i ricercatori “siamo in grado di fornire l'alimentazione necessaria a sistemi quali impianti ed applicazioni medicali più in generale senza la necessità di entrare direttamente in contatto con le stesse. Questo è ciò che avviene con capsule indigeribili per l'endoscopia che possono transitare attraverso l'apparato gastroenterico.”

“Senza che il trasferimento di potenza sia minimamente intaccato, il modulo può essere <<tracciato>> in modo tale che sia sempre nota la sua posizione.” Così, se nell'applicazione di questo esempio ci fosse anche la previsione di dover rilasciare una sostanza medicinale all'interno dell'organismo, sarebbe anche possibile comandare questa azione.

A questo punto, vediamo come, in linea di principio, funziona questa nuova invenzione, già brevettata.

Nel modulo di trasferimento, un magnete rotante viene pilotato da un sistema motore, generando un campo magnetico. All'interno dello strumento è posizionato un nucleo magnetico che funge da ricevitore perché si concatena con il campo all'interno del quale si trova immerso. Il movimento rotativo viene trasformato in elettricità (ovvero segnale elettrico), così che la potenza viene prodotta direttamente nel modulo. “L'accoppiamento magnetico permette alla potenza di essere trasportata anche attraverso materiali che non sono magnetici, come accade nella maggior parte dei tessuti biologici (cervello, organi, tessuti, ossa) ma anche alcuni materiali plastici ed una varietà di sostanze metalliche. Un vantaggio di questa tecnica, e quindi di questi dispositivi, è il fatto che questo meccanismo non produce effetti termici dannosi sul corpo umano perché non comporta riscaldamento.

Questo aspetto risulta piuttosto importante perché proprio sugli aspetti termici delle interazioni tra campi elettromagnetici e materiale biologico che si soffermano numerosi studi le cui evidenze sono piuttosto chiare.

Il progetto è disponibile come prototipo in una serie che conta esemplari diversi per dimensioni e prestazioni, in modo tale da mostrarne i vantaggi tanto nel campo medicale tanto in altre problematiche. È anche possibile che il trasferimento di energia avvenga attraverso degli ostacoli fisicamente presenti tra il modulo che genera il campo magnetico e quello che deve concatenarsi, rendendo questa soluzione accattivante anche per sistemi meccanici, nonché per impianti e per l'industria più in generale.

Una dimostrazione della funzionalità e dell'efficienza di questi dispositivi è stata recentemente data dal team del Dr. Lausch ad Hannover nell'ultima settimana di aprile, occasione nella quale si è mostrato, tra l'altro, proprio come questo sistema possa essere facilmente indossato tramite una cintura.

Alcune delle applicazioni che sono state riportate potranno seriamente beneficiare di questo sistema ma più in generale il concetto dell'alimentazione senza fili è certamente una frontiera di grande interesse per tutte le applicazioni che hanno a che fare con l'ingegneria.

Uno degli aspetti che risulta aperto, e meritevole di approfondimento, è la possibilità che l'esposizione del materiale biologico in vivo subisca effetti di natura non termica, che poi sono quelli che oggi come oggi risultano di maggiore interesse per tutta la biocompatibilità elettromagnetica. Questo è tanto più evidente se si considera che stimoli di natura magnetica vengono utilizzati non soltanto per lo studio del funzionamento del cervello ma anche per alcune terapie che lo riguardano.

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