Lenti a contatto smart: dalla correzione visiva all’invisible computing

Le lenti a contatto smart sono una tecnologia avveniristica che, in futuro, potrebbe rivoluzionare completamente il mondo della salute e dell'intrattenimento, fornendo un supporto consistente sia alle persone che necessitano di assistenza per via di difetti della vista sia nell'ambito della diagnostica per il monitoraggio di alcuni parametri come la pressione oculare per la prevenzione di alcune malattie. Daremo uno sguardo alle ricerche che sono state prodotte riguardo ai materiali con cui queste lenti possono essere realizzate per garantire il maggiore comfort possibile a chi le indossa, parleremo di come le lenti possono essere alimentate in modo autonomo e come i consumi di potenza possono essere ridotti al minimo per poter garantire il maggior numero di ore di autonomia. In questo articolo ci occuperemo di approfondire i blocchi fondamentali che compongono una lente a contatto smart e parleremo del recente prototipo realizzato dall'azienda statunitense Mojo Vision.

Introduzione

I campi di applicazione delle lenti a contatto smart si dividono in cinque categorie:

medico
display
eye tracking
visione assistita

Figura 1: Campi di applicazione delle lenti a contatto smart

Tra le applicazioni in campo medico troviamo la misurazione della temperatura della cornea, della pressione intraoculare e dei livelli di glucosio. Il monitoraggio costante di questi parametri permette di migliorare la diagnosi delle malattie e il loro trattamento. Oltre al supporto alla diagnostica, le lenti a contatto smart possono gestire l'idratazione dell'occhio per i pazienti di secchezza oculare. Sebbene la maggior parte degli studi siano stati svolti nell'ambito della diagnostica, le lenti a contatto smart sono una tecnologia che può apportare consistenti vantaggi nel campo dell'assistenza visiva, dei display e dell'eye tracking. Nel campo dell'assistenza visiva le lenti a contatto possono essere utilizzate da persone con difetti della vista come la presbiopia e alcuni difetti dell'iride. L'eye tracking consiste nel monitoraggio dei movimenti dell'occhio umano per il controllo delle funzioni di un dispositivo, in questo caso, lo studio dei movimenti oculari permette di progettare dispositivi come le lenti a contatto smart, che possono essere controllati completamente senza l'utilizzo delle mani. Per quanto riguarda le applicazioni HMI (Human Machine Interaction), eseguire operazioni di eye tracking tramite le lenti a contatto smart apre le porte a una serie di applicazioni molto interessanti per quanto riguarda il gaming o l'istruzione o più in generale nell'ambito dell'intrattenimento e della realtà aumentata. Le principali tecnologie che sono state prese in considerazione per la progettazione delle lenti a contatto smart con lo scopo di renderle dispositivi completi, in grado di raccogliere e mostrare informazioni, immagini, video e grafici sono i cristalli liquidi e i microLED, approfondiremo i vantaggi e i limiti di queste tecnologie nel corso di questo articolo.

Funzionamento

Figura 2: Blocchi fondamentali nel design di una lente a contatto smart

Modulo di alimentazione

Per permettere il funzionamento senza interruzioni della lente a contatto è necessaria una fonte di energia automatica e autosufficiente. Ma di quanta energia ha bisogno questo dispositivo per poter funzionare correttamente? Ovviamente, la risposta varia in base al tipo di utilizzo della lente a contatto, ma viene definito un range di consumo di potenza che varia da 0.27 nW a 1.4 mW. A questo proposito sono stati prodotti degli studi che trattano il tema della raccolta di energia (energy harvesting) e dell'accumulo di potenza nelle lenti a contatto smart. Per quanto riguarda i sistemi di raccolta di energia, l'ambiente esterno fornisce numerose tipologie di sorgenti come la luce, il calore, le onde RF e il movimento, tutte ipotesi che sono state trattate nella letteratura scientifica e che approfondiremo nel corso di questo paragrafo. Una volta definito un sistema per la raccolta dell'energia, diventa necessario definire un sistema di accumulo di potenza per fornire un'alimentazione stabile in ingresso al dispositivo. Le principali sorgenti di energia che sono state prese in considerazione per l'alimentazione delle lenti a contatto smart sono tre:

energia prodotta da sorgenti in radiofrequenza (RF energy harvesting)
energia solare
sorgenti bioenergetiche

Nello specifico, la raccolta di energia da sorgenti RF costituisce, attualmente, una delle migliori soluzioni in termini di continuità ed efficienza. Tra le varie proposte di interesse figura un prototipo di antenna circolare costituito da un ricevitore montato su un telaio in vetro, in grado di fornire 1 V in corrente in DC con un'efficienza del 50%. Per quanto riguarda l'energia solare, sono stati condotti alcuni test su dei prototipi di pannelli fotovoltaici che hanno prodotto risultati soddisfacenti in termini di densità di energia, producendo 1.24 mW/cm². Purtroppo, negli studi sono emersi problemi rilevanti per quanto riguarda la quantità di potenza immagazzinabile, attualmente pari a 3.1 μW. Alcuni studi hanno dimostrato che è possibile utilizzare l'energia prodotta da alcuni processi biochimici che si verificano nel corpo umano, nello specifico è possibile immagazzinare l'energia prodotta dai metaboliti nel fluido lacrimale, ma anche in questo caso si tratta di quantità di energia considerevolmente più basse rispetto a quelle che possono essere immagazzinate nel caso delle onde elettromagnetiche e dell'energia solare. Nello specifico, i test effettuati hanno dimostrato che è possibile ottenere una densità di potenza pari a 2.4 μW/cm² da una pila a combustibile di glucosio quando il voltaggio della pila è pari a 0.56 V. La pila a combustibile microbiologico è un sistema bio-elettrochimico che sfrutta i fenomeni di catabolisi, cioè permette di immagazzinare gli elettroni prodotti da reazioni di ossidazione di composti come il glucosio per generare corrente. Tra le soluzioni considerate, quella che permette di immagazzinare più energia è decisamente il pannello solare ma, oltre ai problemi relativi all'immagazzinamento, l'energia solare non rappresenta una sorgente da cui si può attingere in modo continuo. Al secondo posto troviamo l'energia RF che al momento sembra essere la soluzione migliore in termini di disponibilità delle sorgenti.

Per quanto riguarda i sistemi per l'accumulo di potenza, vengono prese in considerazione due soluzioni:

batterie a film sottile
supercondensatori

Il principale vantaggio dei superconduttori è quello di avere tempi di carica e scarica molto rapidi e, se associati a una sorgente RF, possono garantire un'alimentazione stabile in ingresso alla lente a contatto. Comparando i supercapacitori con le batterie a film sottile, queste ultime hanno una capacità maggiore, ma forniscono una minore densità di energia che comporta un aumento delle dimensioni della batteria.

Figura 3: Elementi fondamentali della lente a contatto smart

Driver Chip

Una volta stabilito il metodo più efficace per fornire la corretta alimentazione al dispositivo, è necessario un sistema che si occupi della gestione dell'energia in ingresso e del controllo del corretto funzionamento dell'elettronica. Per garantire un segnale di potenza stabile in ingresso vengono utilizzati rettificatori, regolatori e convertitori. I segnali provenienti dai sensori e quelli inviati all'interfaccia I/O vengono processati dal driver chip utilizzando degli oscillatori, circuiti logici e circuiti dedicati alla lettura dei dati. Come citato in precedenza, il range di consumo di potenza del dispositivo va da 0.27 nW a 1.4 mW per l'intero sistema, in base all'applicazione. Il consumo di potenza del solo driver chip può essere ridotto considerevolmente e gli studi attuali si stanno muovendo in questa direzione, attualmente è stato dimostrato che le lenti a contatto smart per la rilevazione dei livelli di glucosio possono essere controllate da un driver chip a basso consumo di potenza. Per ottenere un basso consumo di potenza da parte del driver chip è necessario intervenire sul voltaggio in ingresso alla lente che tipicamente varia in un range che va da 3.3 V a 5 V. Le lenti a contatto smart possono operare con bassi voltaggi perché si tratta di dispositivi a diretto contatto con l'occhio umano, ma bisogna tenere conto del fatto che abbassando le tensioni in ingresso si può incorrere in importanti problematiche legate alla corrente di corto circuito.

Blocchi di comunicazione

Come tutti i dispositivi smart, anche nelle lenti a contatto è necessario un blocco di comunicazione che permetta di ricevere e trasmettere le informazioni. Le informazioni provenienti dai sensori devono essere processate tramite codificatori e mixer e il segnale in uscita deve essere trasmesso tramite un'antenna la cui progettazione rappresenta la maggiore sfida per questo tipo di tecnologia. Per questo tipo di applicazioni la migliore soluzione per integrare un'antenna sulla superficie di una lente a contatto è adottare una forma ad anello o a spirale che risultano avere prestazioni diverse in termini di return loss, larghezza di banda e frequenza operativa, parametri fondamentali nel design delle antenne. Le antenne a forma di anello potrebbero rappresentare la migliore soluzione perché risultano di più semplice realizzazione e non rappresentano un ostacolo per la vista, essendo posizionate intorno alla cornea. Dall'altro lato, è stato dimostrato che le antenne con una geometria a spirale forniscono delle performance migliori perché, per via della polarizzazione circolare, l'antenna può ricevere la stessa ampiezza di segnale al variare della posizione, mentre la geometria ad anello è caratterizzata dalla sola polarizzazione orizzontale.

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