A non-resonant kinetic energy harvester for bio-implantableapplications

Abstract

Gün geçtikçe geliştirilmekte olan elektronik biyoimplantlar birçok sağlık sorununun izlenmesi ve tedavisinde etkin çözümler sunmaktadır. Örnek olarak basınç sensörleri, kalp pilleri, kas uyarıcıları ve glükoz sensörleri kalp rahatsızlıklarından diyabete kadar geniş bir yelpazedeki hastalıkların izlenmesi ve kontrolü için çare olabilecek niteliktedir. Bu aygıtları çalıştırmakta kullanılan piller, sınırlı enerji depolama yetenekleri nedeniyle sıklıkla değiştirilmeye ihtiyaç duymakta ve dolayısıyla bu aygıtların kullanımlarını sınırlandırmaktadırlar. Bu açıdan bakıldığında, vücut hareketlerinden enerji hasadı ile elektrik enerjisi üretmek, söz konusu aygıtlarınçalıştırılması noktasında alternatif bir çözüm sunmaktadır. Bu projenin amacı insanların normal aktiviteleri sırasındaki vücut hareketlerini vücut içerisindeki herhangi bir noktada elektrik enerjisine dönüştürebilen bir jeneratör geliştirmektir.Jeneratör, vücut ortamına uyumlu olacak şekilde 1 cm3'ten küçük ve biyouyumlu olarak tasarlanmıştır. Yürüme, koşma ve dönme gibi hareketlerin elektrik enerjisine dönüştürülmesi için elektromanyetik indüskiyon prensibi kullanılmıştır. Tasarımın önemli bir unsuru, rezonant olmayan bir yapınınkullanılmasıdır. Bu nedenle farklı frekanstaki birçok hareketin elektriğe dönüştürülmesi mümkün olmuştur. Tasarım optimizasyonu için COMSOL programında simülasyonlar yapılmıştır. Jeneratör mikrofabrikasyon ve CNC teknolojileri ile üretilmiştir. Hareketli bir platform kullanılarak yapılanöncü testlerde 6.25 mV açık devre gerilimi ile 0.33 µW güce ulaşılmıştır. Aygıt, gerçek koşullardaki performansını ölçmek için bir bilekliğe entegre edilmiştir. Yürüme sırasında 4.4 mV açık devre voltajı ile 0.14 µW güç değerleri ölçülmüştür. Bu değerlerin koşma aktivitesi sırasında 6.85 mV ile 0.2 µW'a çıktığı görülmüştür. Elde edilen değerlerin artırılması için aygıtın iyileştirilebilir yönleri tartışılmıştır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, kendi kendine yetebilen ve pil değişimine ihtiyaç duymayan biyoimplantların geliştirilmesi için önayak niteliğindedir.

Bio-implantable devices are attracting much attention, as they provide effectivesolutions for monitoring and treatment of diverse health problems. Examplesfor already-developed devices include pressure sensors, pacemakers, musclestimulators, and glucose sensors that can control and monitor diseases rangingfrom heart-related disorders to diabetes. Batteries that are currently used inbio-implants have limited energy storage capacities, requiring frequent batteryreplacements and thus limiting the functionality of such medical devices. Inthis respect, energy harvesting from human body movements offers a promising alternative as on-board power for implantable medical devices. The aim ofthis project is to develop an implantable power generator capable of convertingthe kinetic energy existing in body movements into electricity at any part ofthe body.The generator is designed to be bio-compatible with a volume less than 1cm3 for implantability. Energy is generated from daily activities such as walking, running, and twisting through the utilization of electromagnetic inductionprinciples. An important aspect of the design is the non-resonant device nature. Accordingly, it is possible to generate energy from a variety of bodyactivities at different frequencies. Simulations were performed on COMSOLsoftware for design optimization. The device was manufactured using a combination of micro-fabrication and CNC technologies. Initial testing on a linearshaker platform resulted in an open circuit voltage and output power of 6.25mV and 0.33 µW, respectively. The device was integrated on a wristband totest real-life performance. The voltage and power during normal walking weremeasured to be 4.4 mV and 0.14 µW. These values increased to 6.85 mV and 0.2 µW when running. Several improvements in the design and testingscheme were proposed to take these values at even higher levels. The findingsand results reported here are important steps forward to develop electronic self sufficient bio-implants that do not need battery replacements and can generatetheir own energy autonomously in the body.