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Raccolta di energia piezoelettrica su scala ridotta

Nuove tecniche ingegneristiche hanno aiutato gli scienziati finanziati dall’UE ad estrarre e conservare l’energia di vibrazioni piccole quanto il battito del cuore umano, preparando il terreno per pacemaker autoalimentati.
Raccolta di energia piezoelettrica su scala ridotta
La raccolta di energia a basse frequenze in passato era difficile a causa della natura fragile dei materiali di cui sono fatti i raccoglitori. In particolare, la limitata rigidità del silicone convenzionale e tutti i materiali piezoelettrici ostacolavano lo sviluppo di sistemi di raccolta delle vibrazioni che operassero al di sotto dei 100 Hz. Questa mancanza di sistemi durevoli di raccolta di energia nella gamma della bassa frequenza costituiva il centro d’interesse di MANPOWER (Energy harvesting and storage for low frequency vibrations).

“Gli obiettivi principali erano lo sviluppo di materiali e strutture elettroniche per i due componenti principali di un raccoglitore di energia a bassa frequenza: il raccoglitore di energia e il dispositivo per la conservazione della carica”, ha osservato il dott. Cian Ó Murchú, coordinatore del progetto finanziato dall’UE. Il range di frequenza di vibrazione desiderato andava dai 20 ai 30 Hz. A questo fine, nanotecnologi ed esperti di tecnologia delle comunicazioni hanno lavorato insieme a fisici per sviluppare una tecnologia che sfruttasse l’energia delle vibrazioni cardiache.

I partner di MANPOWER hanno sviluppato substrati polimerici auto-oscillanti e hanno ottimizzato i materiali piezoelettrici che possono essere usati nella scala auspicata. Un cantilever vibrante, creato con questi materiali, risponde al movimento del battito di un cuore umano. Anche se la tecnologia era già disponibile in scala più grande per uso meccanico e industriale, il passo successivo fatto grazie al loro lavoro è stato adattarla all’uso in un pacemaker auto-alimentato.

Le dimensioni limitate sono state uno dei principali ostacoli da superare nel corso di MANPOWER. “Man mano che le dimensioni del raccoglitore di energia vengono ridotte, anche la potenza generata è ridotta. I requisiti iniziali di potenza per un pacemaker erano considerevolmente più alti rispetto a quelli che il piccolissimo raccoglitore di energia poteva raggiungere. Siamo stati però in grado di soddisfare le specifiche fornite associando design, ottimizzazione dei materiali e circuiti migliori,” ha spiegato il dott. Ó Murchú.

Un dispositivo impiantabile doveva avere anche tecnologie di imballaggio biocompatibili per integrare tutto il sistema e di modelli teorici per valutare l’affidabilità dei componenti e fare proiezioni della loro durata. Prima della fine del progetto, il prototipo di pacemaker che comprendeva un accelerometro a tre assi, è stato impiantato nel cuore di una pecora per una prova in vivo.

I risultati promettono una vita migliore per i pazienti affetti da cardiopatia. I pacemaker che usano raccoglitori di energia vibrazionali sono abbastanza piccoli da poter essere impiantati nella parete del cuore e possono funzionare per un periodo molto più lungo rispetto alle tradizionali batterie per pacemaker. Secondo il dott. Ó Murchú, il raccoglitore di energia di MANPOWER si può applicare ad altre fonti di vibrazione a bassa frequenza, come i movimenti umani, i motori dei veicoli, il moto delle navi e le onde.”

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