Wireless Power Transfer in Titanium Implants

تخيل محاولة شحن بطارية مخبأة داخل كتلة صلبة من المعدن باستخدام موجات مغناطيسية غير مرئية فقط. هذا هو التحدي الذي يواجه المهندسين الذين يرغبون في تزويد الجيل القادم من الغرسات الطبية بالطاقة. فالعديد من الأجهزة التي توضع داخل جسم الإنسان، مثل المفاصل الاصطناعية أو المستشعرات، مصنوعة من التيتانيوم لأنه قوي وخفيف وآمن للأنسجة الحية. ومع ذلك، فإن التيتانيوم معدن موصل للكهرباء أيضاً. وعندما يحاول مجال مغناطيسي دفع الطاقة من خلاله، يقاوم المعدن ذلك؛ حيث يولد تيارات كهربائية دوارة خاصة به، تُعرف باسم "التيارات الدوامية"، والتي تخلق مجالاً مضاداً يلغي الطاقة الواردة. والنتيجة هي أن الطاقة لا تصل أبداً إلى الجهاز، وتُهدر الطاقة على شكل حرارة. لقد جعل هذا الحاجز الفيزيائي عملية تزويد الإلكترونات المدمجة بعمق داخل الأجهزة الطبية المعدنية بالطاقة لاسلكياً أمراً صعباً لفترة طويلة.

وضع فريق من الباحثين من مؤسسات في البرازيل هدفهم لحل هذه المشكلة تحديداً. أرادوا معرفة ما إذا كان من الممكن إيصال تدفق مستمر من الطاقة إلى جهاز إلكتروني صغير مخبأ داخل غرسة من التيتانيوم، وإذا كان الأمر كذلك، كيف يمكن تصميم الغرسة لكي تمر الطاقة من خلالها. ركزوا على سيناريو شائع حيث يتم وضع ملف استقبال، يعمل كأنتينا (هوائي) للطاقة، داخل مساحة مجوفة، أو تجويف، داخل قطعة صلبة من التيتانيوم. وقد جمع عملهم بين المحاكاة الحاسوبية والتجارب الفيزيائية لاختبار طرق مختلفة لكسر قدرة المعدن على حجب المجال المغناطيسي. ووجدوا أن شكل التجويف واستمرارية الجدران المعدنية هما العاملان الحازمان في تحديد ما إذا كان النظام سيعمل أم لا.

بدأ الباحثون ببناء نموذج حاسوبي لكتلة من التيتانيوم تحتوي على ثقب مستطيل صغير بالداخل، يكفي فقط لاستيعاب ملف استقبال وإلكترونيات أساسية. قاموا بمحاكاة مجال مغناطيسي ناتج عن ملف مرسل موضوع خارج الكتلة. في السيناريو الأول، حيث تشكلت جدران التيتانيوم حلقة كاملة وغير منقطعة حول التجويف، كانت النتائج صارخة. فقد عملت الجدران المعدنية كدرع، مولدةً تيارات دوامية قوية ألغت المجال المغناطيسي تماماً داخل الثقب. كان انتقال الطاقة ضعيفاً للغاية لدرجة أن النظام كان ميتاً فعلياً؛ حيث لم يحصل المستقبل إلا على قدر ضئيل جداً من الطاقة، وكانت الكفاءة تقترب من الصفر. كان المعدن يفعل بالضبط ما تنبأ به علم الفيزياء: وهو حماية نفسه من المجال المغناطيسي المتغير عبر إنشاء حاجز يوقف الطاقة في مسارها.

ولرؤية ما إذا كان بإمكانهم إصلاح ذلك، جرب الفريق عدة تعديلات. أولاً، قاموا بحفر ثقوب صغيرة في جدران التيتانيوم لقطع المسار الذي تحتاج التيارات الدوامية للتدفق من خلاله. ورغم أن هذا ساعد قليلاً، إلا أن التحسن كان طفيفاً؛ إذ زاد الاقتران المغناطيسي، وهو مقياس لمدى جودة التواصل بين المرسل والمستقبل، بنسبة ضئيلة فقط. بعد ذلك، حاولوا تبطين الجزء الداخلي من التجويف بغشاء مغناطيسي خاص مصمم لتوجيه المجال المغناطيسي. وفشل هذا أيضاً في إحداث فرق كبير؛ إذ ظلت الجدران المعدنية فعالة للغاية في حجب الطاقة، ولم يستطع الغشاء التغلب على المشكلة الجوهرية المتمثلة في الحلقة المعدنية المستمرة المحيطة بالمستقبل.

جاء الاختراق عندما اتبعوا نهجاً أكثر جذرياً: حيث قاموا بقطع فجوة كاملة، أو شق، عبر جدران التيتانيوم لقطع الحلقة فيزيائياً. ومن خلال كسر المسار، منعوا التيارات الدوامية من تشكيل دائرة كاملة. وفي عمليات المحاكاة، أدى هذا التغيير البسيط إلى تحول دراماتيكي؛ حيث استطاع المجال المغناطيسي الآن اختراق التجويف، وقفز الاقتران بين المرسل والمستقبل بشكل كبير. ثم بنى الباحثون نموذجاً أولياً مادياً لإثبات نجاح ذلك في العالم الحقيقي. قاموا بتصنيع غرسة تيتانيوم بها شق مقطوع ووضعوا ملف استقبال بداخلها. وعندما اختبروها، كان الفرق فورياً. فمع إغلاق الشق، تطلب النظام كمية هائلة من الطاقة لإنتاج كمية ضئيلة وغير قابلة للاستخدام من الطاقة عند المستقبل. ولكن مع فتح الشق، عمل النظام. نجح ملف المستقبل في التقاط طاقة كافية لتشغيل منظم جهد، مما وفر مخرجاً مستقراً.

أكدت التجربة أن الهندسة هي كل شيء في هذا السياق. قاس الفريق كفاءة النظام مع فتح الشق ووجد أنها متفوقة بمراحل على النسخة المغلقة. ورغم أن الكفاءة الإجمالية كانت لا تزال متواضعة، إلا أنها كانت كافية لتشغيل الجهاز، بينما كانت النسخة المغلقة عديمة الفائدة. كما اختبروا تصميماً مختلفاً باستخدام ملف حلزوني مسطح موضوع على سطح التيتانيوم بدلاً من وضعه داخل تجويف. كان هذا التصميم المستوي أفضل من التجويف المغلق، لكنه لم يستطع مضاهاة أداء ملف السولينويد الموجود داخل التجويف المشقوق. وظل الحل الأكثر فعالية هو الذي يوقف المعدن فيزيائياً عن تشكيل حلقة كهربائية كاملة حول المستقبل.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يعد نقل الطاقة لاسلكياً إلى الغرسات الموصلة أمراً ممكناً، إلا أنه ليس مجرد مسألة وضع ملف داخل صندوق معدني. يجب تعديل تصميم الغرسة نفسها لاستيعاب فيزياء المجالات المغناطيسية. فإذا شكل المعدن حلقة مستمرة، سيفشل النظام. ومع ذلك، من خلال إدخال كسر متعمد في الهيكل المعدني، يمكن للمهندسين السماح للمجال المغناطيسي بالمرور وتزويد الجهاز بالطاقة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الغرسات الطبية المستقبلية المصممة ليتم تزويدها بالطاقة لاسلكياً قد تحتاج إلى أن تُصنع مع وجود فجوات أو شقوق محددة، وهو تفصيل تم التغاضي عنه سابقاً. لقد أثبت الباحثون أنه من خلال الاهتمام الدقيق بشكل التجويف، يمكن لنظام كان يعتبر تقنياً غير ممكن أن يصبح واقعاً ملموساً، محولين إمكانية نظرية إلى حل عملي لتزويد الأجهزة داخل أجسادنا بالطاقة.