Радуга Звуков

Ученые снабдили радио-чип энергией от «природного аккумулятора» в ухе

Ученые снабдили радио-чип энергией от «природного аккумулятора» в ухе
Исследователям Массачусетского технологического института (MIT) впервые удалось снабдить энергией имплантируемое электронное устройство, используя электрические потенциалы, которые находятся во внутреннем ухе.

Глубоко во внутреннем ухе млекопитающих существует природный аккумулятор, точнее, отсек, наполненный ионами, который генерирует электрический потенциал, чтобы проводить нервные сигналы. Группа исследователей из MIT, а также Массачусетской отоларингологической клиники и отделения медицинских наук и технологий Гарвард-MIT, представила доказательства того, что аккумулятор во внутреннем ухе может питать энергией имплантируемые электронные устройства без ущерба для слуха.

Такие устройства способны отслеживать биологическую активность в ушах пациентов с нарушениями слуха или вестибулярного аппарата или контролировать реакцию на лечение. В конечном счете, они сами могут применяться для лечения.

В ходе экспериментов хирург-отоларинголог Массачусетской клиники Константин Станкович и аспирант MIT Эндрю Лысаг имплантировали электроды в биологические аккумуляторы ушей морских свинок. К электродам прилагались маломощные электронные устройства, разработанные Лабораторией технологии микросистем (MTL) при MIT. После имплантации морские свинки нормально реагировали на слуховые тесты, а устройства смогли беспроводным путем передавать на внешний приемник данные о химическом составе в ухе.

Чип для внутреннего уха

На фото чип для внутреннего уха, разработанный в MIT.
 
 «Раньше было принято считать, что пространство, в котором имеется высокий потенциал, недоступно для имплантируемых устройств, потому что проникновение в него крайне опасно для организма, - говорит Станкович. – В течение 60 лет мы знали, что этот аккумулятор существует и что он чрезвычайно важен для нормального слуха, но никто не пытался использовать его для питания полезной электроники».

Ухо преобразует механическое усилие (вибрации барабанной перепонки) в электрохимический сигнал, который может обрабатывать мозг, а биологический аккумулятор является источником тока для этого сигнала. Расположенный в улитке аккумуляторный отсек делится пополам мембраной, некоторые клетки которой предназначены для закачки ионов. Дисбаланс ионов калия и натрия на противоположных сторонах мембраны, в сочетании с конкретным расположением насосов, создает электрическое напряжение.

Хотя это напряжение имеет самый высокий уровень в организме (по крайней мере, за пределами отдельных клеток), на самом деле оно очень низкое. Кроме того, чтобы не повредить слух, устройство, питаемое от этого биологического аккумулятора, должно использовать только малую часть его мощности. Ученые обратились к группе под руководством Ананты Чандракасана в MTL, которая оснастила чип радиопередатчиком со сверхнизким потреблением энергии, благодаря чему ученые смогли получать свои результаты измерений.

При этом, хотя радиопередача и является гораздо более эффективной, чем передача, которая используется в сотовых телефонах, она все же не может работать напрямую от биологического аккумулятора. Поэтому чип MTL также содержит схему преобразования мощности, которая постепенно накапливает заряд в конденсаторе. Напряжение биологического аккумулятора колеблется, поэтому схеме управления требуется примерно от 40 секунд до 4 минут, чтобы накопить заряд, достаточный для питания радио. Таким образом, частота сигнала сама по себе свидетельствует об электрохимических свойствах внутреннего уха.

Чтобы снизить потребление энергии, схему управления пришлось радикально упростить, но, как и радиопередача, она все еще требует более высокого напряжения, чем то, которое может предоставить биологический аккумулятор. Как только схема управления запущена, она начинает работать сама по себе; проблема заключается в том, как заставить ее заработать.

Исследователи MTL решили эту проблему путем единовременного импульса радиоволн. «В самом начале мы должны дать системе толчок, чтобы запустить ее, - говорит Чандракасан. – Как только мы сделаем это, мы сможем перейти на автономную работу. Схема начинает управлять выходным сигналом».
 
Станкович и Лысаг имплантировали электроды, подсоединенные к чипу MTL, с обеих сторон мембраны, разделяющей биологический аккумулятор каждого уха морской свинки. В ходе экспериментов сам чип оставался за пределами тела морской свинки, но он достаточно мал для того, чтобы разместиться в полости среднего уха.

Клифф Мегерян, президент по отоларингологии университета Case Western Reserve и университетской клиники, сказал, что он видит три возможных области применения результатов данного исследования: кохлеарные импланты, диагностика и имплантируемые слуховые аппараты.

«Тот факт, что генерировать питание для маломощных схем может улитка сама по себе, повышает возможность использования этого механизма для питания кохлеарного импланта, - говорит Мегерян. – Представьте себе, что мы могли бы измерить это напряжение при разных заболеваниях. Это могло бы дать нам диагностический алгоритм на основе отклонения электрического выходного сигнала. Я не готов сказать, что мы уже располагаем действующей технологией», - продолжает ученый. Однако он добавляет: «Если бы мы могли задействовать природный источник электричества в улитке, это могло бы стать движителем слуховой технологии будущего».


Возврат к списку