Wireless Power Transfer in Titanium Implants

कल्पना कीजिए कि आप धातु के एक ठोस ब्लॉक के भीतर छिपी एक बैटरी को केवल अदृश्य चुंबकीय तरंगों का उपयोग करके चार्ज करने की कोशिश कर रहे हैं। यह उन इंजीनियरों के सामने एक चुनौती है जो अगली पीढ़ी के मेडिकल इम्प्लांट्स (चिकित्सा प्रत्यारोपण) को शक्ति प्रदान करना चाहते हैं। मानव शरीर के भीतर रखे जाने वाले कई उपकरण, जैसे कि कृत्रिम जोड़ या सेंसर, टाइटेनियम से बने होते हैं क्योंकि यह मजबूत, हल्का और जीवित ऊतकों के लिए सुरक्षित होता है। हालांकि, टाइटेनियम एक ऐसा धातु भी है जो बिजली का संचालन करता है। जब एक चुंबकीय क्षेत्र इसके माध्यम से ऊर्जा भेजने की कोशिश करता है, तो धातु इसका विरोध करती है। यह अपनी स्वयं की घूमती हुई विद्युत धाराएं उत्पन्न करती है, जिन्हें 'एडी करंट्स' (eddy currents) कहा जाता है, जो एक प्रति-क्षेत्र (counter-field) बनाती हैं जो आने वाली ऊर्जा को रद्द कर देता है। परिणाम यह होता है कि ऊर्जा कभी भी उपकरण तक नहीं पहुँच पाती, और ऊर्जा गर्मी के रूप में बर्बाद हो जाती है। इस भौतिक बाधा ने लंबे समय से चालक हार्डवेयर के भीतर एम्बेडेड इलेक्ट्रॉनिक्स को वायरलेस तरीके से शक्ति देने में कठिनाई पैदा की है।

ब्राजील के संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विशिष्ट समस्या को हल करने के लिए हाथ आजमाया। वे जानना चाहते थे कि क्या एक ठोस टाइटेनियम इम्प्लांट के भीतर छिपे एक छोटे से इलेक्ट्रॉनिक उपकरण तक ऊर्जा की एक स्थिर धारा पहुँचाना संभव है, और यदि हाँ, तो ऊर्जा को गुजरने देने के लिए इम्प्लांट को कैसे डिजाइन किया जाए। उन्होंने एक सामान्य परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक रिसीविंग कॉइल (जो शक्ति के लिए एक एंटीना के रूप में कार्य करती है) को टाइटेनियम के एक ठोस टुकड़े के भीतर एक खोखले स्थान या कैविटी (cavity) में रखा गया है। उनके काम ने चुंबकीय क्षेत्र को रोकने की धातु की क्षमता को तोड़ने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन और भौतिक प्रयोगों को एक साथ जोड़ा। उन्होंने पाया कि कैविटी का आकार और धातु की दीवारों की निरंतरता ही निर्णायक कारक थे कि सिस्टम काम करेगा या नहीं।

शोधकर्ताओं ने एक टाइटेनियम ब्लॉक का कंप्यूटर मॉडल बनाना शुरू किया जिसके अंदर एक छोटा आयताकार छेद था, जो एक रिसीविंग कॉइल और कुछ बुनियादी इलेक्ट्रॉनिक्स को रखने के लिए पर्याप्त बड़ा था। उन्होंने एक ट्रांसमीटर कॉइल का सिमुलेशन किया जिसे ब्लॉक के बाहर रखा गया था। पहले परिदृश्य में, जहाँ टाइटेनियम की दीवारें कैविटी के चारों ओर एक पूर्ण, अटूट लूप बनाती थीं, परिणाम बहुत स्पष्ट थे। धातु की दीवारों ने एक ढाल की तरह काम किया, जिससे मजबूत एडी करंट्स उत्पन्न हुईं जिन्होंने कैविटी के भीतर चुंबकीय क्षेत्र को पूरी तरह से रद्द कर दिया। ऊर्जा का हस्तांतरण इतना खराब था कि सिस्टम प्रभावी रूप से मृत था; रिसीवर को लगभग कोई शक्ति नहीं मिली, और दक्षता लगभग शून्य थी। धातु ठीक वही कर रही थी जैसा भौतिकी ने भविष्यवाणी की थी: वह बदलते चुंबकीय क्षेत्र से खुद को बचाने के लिए एक अवरोध बनाकर ऊर्जा को रोक रही थी।

इसे ठीक करने के लिए वे क्या कर सकते थे, यह देखने के लिए टीम ने कई संशोधन किए। सबसे पहले, उन्होंने टाइटेनियम की दीवारों में छोटे छेद किए ताकि एडी करंट्स के बहने के मार्ग को बाधित किया जा सके। इससे थोड़ा सुधार हुआ, लेकिन सुधार बहुत मामूली था। मैग्नेटिक कपलिंग (एक माप कि ट्रांसमीटर और रिसीवर एक-दूसरे से कितनी अच्छी तरह संवाद करते हैं) में केवल थोड़ी सी वृद्धि हुई। इसके बाद, उन्होंने कैविटी के अंदर एक विशेष चुंबकीय फिल्म लगाने की कोशिश की जिसे चुंबकीय क्षेत्र को निर्देशित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। यह भी महत्वपूर्ण अंतर बनाने में विफल रहा। धातु की दीवारें ऊर्जा को रोकने में अभी भी बहुत प्रभावी थीं, और फिल्म उस मौलिक समस्या को दूर नहीं कर सकी जो रिसीवर के चारों ओर निरंतर धातु के लूप से उत्पन्न होती थी।

महत्वपूर्ण मोड़ तब आया जब उन्होंने एक अधिक कठोर दृष्टिकोण अपनाया: उन्होंने टाइटेनियम की दीवारों में एक पूर्ण अंतराल, या स्लिट (slit), काट दी ताकि लूप को भौतिक रूप से बाधित किया जा सके। मार्ग को तोड़कर, उन्होंने एडी करंट्स को एक पूर्ण घेरा बनाने से रोक दिया। सिमुलेशन में, इस सरल परिवर्तन के कारण एक नाटकीय बदलाव आया। चुंबकीय क्षेत्र अब कैविटी में प्रवेश कर सका, और ट्रांसमीटर और रिसीवर के बीच कपलिंग काफी बढ़ गई। शोधकर्ताओं ने इसे वास्तविक दुनिया में सिद्ध करने के लिए एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया। उन्होंने एक टाइटेनियम इम्प्लांट बनाया जिसमें एक स्लॉट (खांचा) कटा हुआ था और उसके भीतर एक रिसीविंग कॉइल रखी। जब उन्होंने इसका परीक्षण किया, तो अंतर तुरंत दिखाई दिया। जब स्लॉट बंद था, तो सिस्टम को रिसीवर पर एक बहुत छोटी, अनुपयोगी मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए भारी मात्रा में शक्ति की आवश्यकता थी। लेकिन जब स्लॉट खुला था, तो सिस्टम ने काम किया। रिसीवर कॉइल ने एक वोल्टेज रेगुलेटर को शक्ति देने के लिए पर्याप्त ऊर्जा सफलतापूर्वक प्राप्त की, जिससे एक स्थिर आउटपुट मिला।

प्रयोग ने पुष्टि की कि इस संदर्भ में ज्यामिति (geometry) ही सब कुछ है। टीम ने स्लॉट खुला होने पर सिस्टम की दक्षता को मापा और पाया कि यह बंद संस्करण की तुलना में बहुत बेहतर थी। हालांकि समग्र दक्षता अभी भी मध्यम थी, लेकिन यह उपकरण को चलाने के लिए पर्याप्त थी, जबकि बंद संस्करण बेकार था। उन्होंने एक अलग डिज़ाइन का भी परीक्षण किया जिसमें टाइटेनियम की सतह पर एक फ्लैट, स्पाइरल कॉइल को कैविटी के बजाय रखा गया था। यह प्लेनर डिज़ाइन बंद कैविटी की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करता था, लेकिन फिर भी स्लॉटेड कैविटी के भीतर स्थित सोलेनॉइड कॉइल के प्रदर्शन का मुकाबला नहीं कर सका। सबसे प्रभावी समाधान वही रहा जिसने भौतिक रूप से धातु को रिसीवर के चारों ओर एक पूर्ण विद्युत लूप बनाने से रोका।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि चालक इम्प्लांट्स में वायरलेस पावर ट्रांसफर संभव है, लेकिन यह केवल एक धातु के बॉक्स के अंदर कॉइल रखने का मामला नहीं है। चुंबकीय क्षेत्रों के भौतिक विज्ञान के अनुकूल होने के लिए इम्प्लांट के डिज़ाइन को बदलना आवश्यक है। यदि धातु एक निरंतर लूप बनाती है, तो सिस्टम विफल हो जाएगा। हालांकि, धातु की संरचना में जानबूझकर एक अंतराल या स्लॉट पेश करके, इंजीनियर चुंबकीय क्षेत्र को गुजरने और उपकरण को शक्ति देने की अनुमति दे सकते हैं। यह निष्कर्ष बताता है कि भविष्य के मेडिकल इम्प्लांट्स, जिन्हें वायरलेस तरीके से संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया जाना है, उन्हें विशिष्ट अंतराल या स्लॉट्स के साथ निर्मित करने की आवश्यकता हो सकती है, जो कि एक ऐसा विवरण था जिसे पहले अनदेखा किया गया था। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि सावधानीपूर्वक कैविटी के आकार पर ध्यान देकर, एक प्रणाली जो कभी तकनीकी रूप से असंभव थी, एक कामकाजी वास्तविकता बन सकती है, जो हमारे शरीर के भीतर के उपकरणों को शक्ति देने के लिए एक सैद्धांतिक संभावना को एक व्यावहारिक समाधान में बदल देती है।