Illustration schématique du chargement sans fil d’un dispositif électronique implanté dans le corps à l’aide d’une sonde à ultrasons. Crédit : Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST)
Une nouvelle technologie améliore l’efficacité du transfert d’énergie sans fil des ondes ultrasoniques par la génération d’énergie triboélectrique. Les ondes ultrasonores ont des applications dans la recharge sans fil de batteries sous l’eau ou dans les dispositifs électroniques implantés dans le corps.
Le nombre de patients utilisant des dispositifs électroniques implantés, tels que des stimulateurs cardiaques artificiels et des défibrillateurs, augmente dans le monde entier avec le vieillissement de la population et les progrès de la technologie médicale. Actuellement, les batteries des dispositifs implantés dans le corps sont remplacées par une opération d’incision, ce qui peut entraîner des complications de santé. C’est pourquoi une nouvelle technique de chargement par transfert d’énergie sans fil est en cours de développement. Elle peut être utilisée pour charger les dispositifs implantés dans le corps sans intervention chirurgicale. Cette même technologie peut également être utilisée pour charger les batteries des dispositifs sous-marins, tels que les capteurs, qui sont utilisés pour surveiller les conditions du câble sous-marin.
L’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST, Président : Seok-Jin Yoon) a annoncé qu’une équipe de recherche dirigée par le Dr Hyun-Cheol Song du Centre de recherche sur les matériaux électroniques a mis au point une technologie de transmission d’énergie sans fil par ultrasons qui peut être appliquée dans les domaines de recherche susmentionnés.
Transfert d’énergie acoustique sans fil dans des dispositifs implantables à l’intérieur du porc (peau et chair) comme substitut du corps humain. Crédit : Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST)
L’induction électromagnétique (EM) et la résonance magnétique peuvent être utilisées pour le transfert d’énergie sans fil. L’induction électromagnétique est actuellement utilisée dans les smartphones et les écouteurs sans fil. Cependant, son utilisation est limitée car les ondes électromagnétiques ne peuvent pas traverser l’eau ou le métal, ce qui entraîne une faible distance de charge. En outre, cette méthode ne peut pas être facilement utilisée pour recharger des dispositifs médicaux implantés, car la chaleur générée pendant la charge est nocive. La méthode de résonance magnétique exige que les fréquences de résonance du générateur de champ magnétique et du dispositif de transmission soient exactement les mêmes ; de plus, il existe un risque d’interférence avec d’autres fréquences de communication sans fil, telles que Wi-Fi et Bluetooth.
L’équipe du KIST a donc adopté les ondes ultrasoniques comme moyen de transmission d’énergie, au lieu des ondes électromagnétiques ou des champs magnétiques. Le sonar, qui utilise des ondes ultrasonores, est couramment utilisé dans les environnements sous-marins, et la sécurité de l’utilisation des ondes ultrasonores dans le corps humain a été garantie dans diverses applications médicales, telles que le diagnostic des organes ou de l’état du fœtus. Cependant, les méthodes de transfert d’énergie acoustique existantes ne sont pas facilement commercialisées en raison de la faible efficacité de transmission de l’énergie acoustique.
Système de transfert d’énergie acoustique sous-marin sans fil pouvant faire fonctionner simultanément 200 LED et un capteur sans fil en temps réel. Crédit : Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST)
L’équipe de recherche a développé un modèle qui reçoit et convertit les ondes ultrasonores en énergie électrique en utilisant le principe triboélectrique qui permet de convertir efficacement de petites vibrations mécaniques en énergie électrique. En ajoutant un matériau ferroélectrique au générateur triboélectrique, l’efficacité du transfert d’énergie ultrasonore a été considérablement améliorée, passant de moins de 1% à plus de 4%. En outre, il a été possible de charger une puissance de plus de 8 mW à une distance de 6 cm, ce qui était suffisant pour faire fonctionner simultanément 200 LED ou pour communiquer les données de capteurs Bluetooth sous l’eau. En outre, le dispositif nouvellement développé avait une efficacité de conversion d’énergie élevée et générait des quantités marginales de chaleur.
Le Dr Song a expliqué l’importance de ces résultats comme suit : “Cette étude a démontré que les appareils électroniques peuvent être alimentés par une charge électrique sans fil via des ondes ultrasoniques. Si la stabilité et l’efficacité du dispositif sont encore améliorées à l’avenir, cette technologie peut être appliquée pour alimenter en énergie sans fil des capteurs implantables ou des capteurs en eaux profondes, dans lesquels le remplacement des batteries est encombrant.”
Référence : “Ferroelectrically augmented contact electrification enables efficient acoustic energy transfer through liquid and solid media” par Hyun Soo Kim, Sunghoon Hur, Dong-Gyu Lee, Joonchul Shin, Huimin Qiao, Seunguk Mun, Hoontaek Lee, Wonkyu Moon, Yunseok Kim, Jeong Min Baik, Chong-Yun Kang, Jong Hoon Jung et Hyun-Cheol Song, 22 Jan 2022, Énergie & ; Science de l’environnement.
DOI :10.1039/D1EE02623B
Le KIST a été créé en 1966 en tant que premier institut de recherche financé par le gouvernement pour établir une stratégie de développement national basée sur la science et la technologie et diffuser diverses technologies industrielles pour développer les principales industries. Le KIST élève aujourd’hui le statut de la science et de la technologie coréennes par le biais d’une recherche et d’un développement innovants de premier plan au niveau mondial.
Cette recherche a été soutenue par la subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) et la subvention du Conseil national de recherche de la science et de la technologie (NST) financée par le ministère de la Science et des TIC (ministre : Hye-Sook Lim) et la subvention de l’Institut coréen d’évaluation et de planification des technologies énergétiques (KETEP) financée par le ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie (ministre : Sung Wook Moon). Les résultats de la recherche ont été publiés dans le dernier numéro de la revue “Énergie et science de l’environnement” (IF : 38.5, top 0.182% dans le JCR), une revue académique internationale renommée dans le domaine de l’énergie.
