إن توفير الطاقة الموثوق به لا يزال واحدا من أكثر الاختناقات الهندسية عنيدة في تطور الأجهزة الآلية الطبية الطويلة الأجل، حيث أن الروبوتات الجراحية توسع نطاق وجودها من إجراءات العلاج على مدى ساعات إلى تدخلات علاجية طويلة الأجل، وفي نهاية المطاف إلى نظم مجهزة بالكامل، فإن قيود تخزين الطاقة ونقلها والسلامة تزداد حدة، وبدون إمدادات طاقة يمكن أن تضاهي التحمل التشغيلي للجهاز الآلي، حتى أكثر الحلول تطورا.

التحديات في توفير الطاقة للروبوتات الطبية

قدرات البطارية والحدود الطويلة

أما أكثر المسائل إلحاحاً فهي الحياة البطارية، فأجهزة الكيمياء الحالية لليثيوم، رغم التقدم، لا تزال تحد من فترات التشغيل المستمرة إلى بضع ساعات بالنسبة لتطبيقات عالية الدقة مثل أجهزة الإرسال الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي الآلي، حيث إن الأجهزة التي تهدف إلى العمل داخل الجسم لأسابيع أو أشهر، مثلاً، هي أجهزة توليد المخدرات أو استبدال أجهزة الاستشعار التي لا يمكن تحملها، تتطلب إجراء جراحي غير مقبول.

وعلاوة على ذلك، فإن عدد دورات التخفيض من الرسوم يخفض كيميائي البطاريات بمرور الوقت، وسيشهد الروبوت المستخدم يوميا في المستشفى انخفاضا في قدرته على البطاريات بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة في غضون سنتين، مما يتطلب استبدال معدات سابقة للأوان ويضيف إلى التكلفة الإجمالية للملكية، وهذا التدهور في الدورة يثير إشكالية خاصة بالنسبة للأجهزة التي يجب أن تحافظ على أداء متسق على مدى سنوات الخدمة.

استقرار الطاقة وسلامتها في البيئات الحرجة

إنّ التقلبات في التقلبات في الفول قد تكون لها عواقب على الحياة أو الموت، إنّ الإنخفاض المفاجئ في الطاقة أثناء شقّ دقيق أو ملاحة قثّية آليّة قد تؤدي إلى حركة غير خاضعة للمراقبة، أو تلف في الأنسجة، أو أسوأ، استقرار الطاقة ليس مجرد مقياس للأداء، بل هو حتّى حتّى أمن المريض، والضوضاء الكهربائيّة من تبديل إمدادات الطاقة يمكن أن تتداخل مع معدات التصوير الطبي الحساسة،

إدارة الحرارة وضبط الحجم

وتولد البطاريات ذات القدرة العالية الحرارة، وخاصة أثناء التصريف السريع، وفي حالة الفوضى الروبوتية المصممة لتلائمها من خلال تربة أو داخل جوارب صناعية، مما يزيل الحرارة دون رفع درجة الحرارة السطحية للجهاز فوق الحدود التنظيمية )نحو ٤١ درجة مئوية للتواصل مع الأنسجة المريضة( يشكل تحديا كبيرا.

لاسلكية التدخل في شؤون الاتصالات

ويعتمد العديد من الروبوتات الطبية الطويلة الأجل على الاتصالات اللاسلكية لأغراض المراقبة وردود البيانات، إذ إن الاحتفاظ بوصلات راديو مستقرة يستهلك طاقة كبيرة، خاصة عندما يتعين على الآليين أن يعملوا من خلال أنسجة الجسم الساخرة أو داخل غرف التشغيل المحمي، كما أن القدرة اللازمة لنقل الفيديو العالي الاستبانة من جهاز آلي داخلي للكلاب، مثلا، يمكن أن تستنفد البطارية في دقائق إن لم تدار بعناية.

الحلول لمواجهة تحديات الإمداد بالطاقة

أخصائيو البطاريات المتقدمون

The most direct path to longer runtime is through improved energy storage. Lithium-ion batteries remain the workhorse, but incremental advances in anode and cathode materials are raising specific energy from 250 Whg to over 300 Wh/kgmerstate in commercial cells.

Leithium-sulfur batteries offer a theoretical energy density of 2,600 Wh/kg, though practical implementations are still hampered by polysulfide shuttling and low cycle life. For non-rechargeable applications, ]primary lithium-thionyl chloride cells[FLT provide lives:3]

نظم نقل الطاقة اللاسلكية

لإزالة الموصلات المادية عن طريق نقل الطاقة اللاسلكية هو نهج تحويلي. [العمليات التصادمية تستخدم بالفعل في أجهزة الاستهلاك ويجري تكييفها للآليات الطبية، ويتألف النظام من سائل نقل خارج الجسم وأجهزة استقبال مدمجة داخل الجهاز؛ ويضاهي بدقة الترددات المتولدة عن 80% من الثغرات في المذيبات.

(أ) إن نقل الطاقة غير الصوتية [(FLT:1]) بديل ناشئ يستخدم الأمواج الصوتية بدلاً من الحقول المغناطيسية، ويمكن للطائرة الفوقية أن تخترق الجسم بشكل أعمق، ويتأثر أقل بالزراعة الفلزية، ولكن انخفاض كفاءتها (نحو 20 إلى 40 في المائة من الأنسجة) يتطلب تعمقاً في صفائف الأشعة دون الحمراء.

Mid-field wireless powering], which exploits the coupling between propagating and evanescent waves, has demonstrated the ability to charge millimeter-sized devices inside the body using a wearable transmitter. This technique is still largely experimental but holds promise for powering distributed microrobot swarms for targeted drug delivery.

النظم الهجينة: الجمع بين الشحن اللاسلكي مع التعبئة الداخلية

وتجمع معظم الحلول العملية بين نقل الطاقة اللاسلكية وبطارية داخلية صغيرة أو مشرفة، وتوفر الرابط اللاسلكي رسوماً مخادعة، بينما يتعامل عازلة الطاقة مع ذروة الطلب، وهذا النهج الهجين يقلل من حجم البطارية الموجودة على متن السفينة مع ضمان عدم انقطاع الطاقة، حتى وإن كانت الربط اللاسلكي محجبة من حركة المرضى، وبالنسبة للآليات الطويلة الأجل التي تشحن باستمرار في المستشفيات.

Energy Harvesting from the Body and Environment

For truly autonomous long-term operation, scavenging energy from the body itself is the ultimate goal. Kinetic energy harvesters) can convert heartbeats, respiratory motion, or walking steps into electrical power using piezoelectric or electromagnetic transducers. A cardiac pacemaker equipped with a piezoelectric cantilever

وفي معظم الحالات، فإن معظم الخلايا التي تستخدم فيها الوقود هي عبارة عن خلايا الوقود المحتوية على مواد متحركة، حيث أن استخدام الغلوكوز من مجرى الدم هو اتجاه واعد للآليات التي يمكن زرعها، وقد حققت خلايا الوقود الانزيائية كثافة في الطاقة تتراوح بين 0.5 و2 ميغاواط/كوم2، ولكن عمرها محدود بسبب تدهور الطاقة الكترونية بدرجة أكبر من أن تعمل في الوقت الحاضر على إنتاجها المنخفض.

هياكل الطاقة الاحتياطية والثروات

ولا يمكن أن يكون هناك مصدر للطاقة، إذ يجب أن تتضمن الآليات الطبية الطويلة الأجل لحماية الفشل لمعالجة فقدان القدرة بصورة رشيدة، كما أن هناك أجهزة لا تصلح للشحنات الكهربائية، أو أجهزة إرسال كهربائية غير مجهزة، أو مدمجة في محطة الركود الآلي يمكن أن تبقي الجهاز على قيد الحياة أثناء تقلبات رئيسية قصيرة، أما بالنسبة للآليات المحمولة أو التي لا يمكن التحكم فيها، فتوفر جهازاً احتياطياً احتياطياً صغيراً

وهناك العديد من تصميمات الروبوتات الطبية التي تشمل الآن مسارات الطاقة المهددة : بطاريتان مستقلتان، كل منهما قادر على الحفاظ على الحمولة بأكملها، مع التبديل التلقائي إذا فشل أحدها، وهذا النهج مكلف بمعايير السلامة الدولية مثل IEC 60601، التي تتطلب عدم وجود خطأ واحد في إمدادات الطاقة لا يؤدي إلى وضع خطير.

مراكز إدارة الطاقة الدولية وأجهزة الإغوريديث الذكية

(ب) استخدام الطاقة المتاحة بكفاءة هو نفس أهمية تخزينها. () تحديث إدارة الطاقة المتكاملة (الأجهزة الآلية) [الإطارات: 1]) المصممة للأجهزة الطبية تتضمن خطوطاً متعددة للكائنات، وتطورات حيوية للفولط، وتحولات للحمولة معدة على مستوى الطاقة، ويمكن أن تقلل من التيارات الخماسية إلى نطاق الترددات البحرية(28)، مما يتيح إمكانية استخدام أجهزة الاستنفار(56)

ويمكن أن تؤدي هذه النظم الذكية ] التي تُعدُّ برمجيات غير حرجة، والتي تؤدي دوراً مستقلاً، إلى تقليص ميزانيتها للطاقة بنسبة 40 في المائة، وذلك بخفض نماذج تجهيز البصيرة عند عدم تحرك مراحل الإجهاد الحالية.

الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالسلامة فيما يتعلق بنظم الطاقة

وتفرض الهيئات التنظيمية مثل إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة، والقاعدة الأوروبية للأجهزة الطبية متطلبات صارمة على نظم الطاقة للأجهزة الطبية الطويلة الأجل، كما أن توجيه الوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن الأجهزة الطبية التي تعمل بالبطارية باستخدام البطارية باستخدام أجهزة كهربائية تعمل دون السرعة، يجب أن يتدخل في اختبارات القدرة على الدفع الحراري - 1، والحماية من النقل، ونسبة مئوية قصيرة من القدرة على إحداث تغيير في القيمة.

كما يجب أن تكون هندسة الأمان مسؤولة عن أسوأ أساليب الفشل، إذ يمكن أن يؤدي جهاز إرسال لاسلكي لا يتحكم في التغذية المرتدة إلى تجاوز الأنسجة؛ وبالتالي فإن الاستشعار عن درجات الحرارة المغلقة والغلق التلقائي إلزامي، وبالمثل، يجب أن تشمل نظم إدارة البطاريات حماية زائدة عن الحاجة وغير قابلة للانتقال، وكثيرا ما يتم تنفيذها في أجهزة القياسات الرقمية وبرمجيات رقمية لمنع حدوث نقطة واحدة من الفشل.

الاتجاهات المستقبلية في إمدادات الطاقة للروبوتات الطبية الطويلة الأجل

شبكات نقل الطاقة عبر المدار

وقد تدمج المستشفيات المقبلة أجهزة إرسال لاسلكية للطاقة في جداول التشغيل، وأسرة التعافي، وحتى مع ثوب المرضى، ويمكن لهذه النظم أن تخلق " غطاء للقوى " يتهم أي آلي طبي متوافق في النطاق، كما يوفر شبكة وي - فاي توصيلا للبيانات، ويجري تكييف معايير مثل مواصفات التحالف من أجل الاستخدام الطبي، مما يتيح شحن الأجهزة عبر أجهزة من مختلف المصنعين.

أجهزة التكرير النووية للروبوتات القابلة للزراعة

وفي حين أن المولدات الكهربائية الحرارية التي تعمل بالنظائر المشعة والمثيرة للجدل والممتدة إلى مستويات الميكروات يمكن أن تزرع الطاقة الآلية لعقود دون إعادة شحنها، فالأعباء العالية التكلفة والتنظيمية تجعل هذا الاحتمال احتمالا طويل الأجل، ولكن تطوير هذه الوكالة لخلايا غير فولتيكية باستخدام ثلاثي أو النيكل - 63 قد أظهر أن استخدامات نووية عالية القيمة يمكن أن توفر طاقة دائمة لـ 30 سنة.

نظم الطاقة المتكاملة بيولوجيا

ويمكن أن يُجرى البحث في ميتشونيات الوقود الأحيائي المُلهمة ، التي تُحدث دورة الكريبس لاستخراج الإلكترونات من الغلوكوس، في مختبرات مثل معهد كوشنتو، إذا نجحت هذه النظم في توفير الطاقة الخارجية اللازمة لذلك.

خاتمة

إن التحديات التي تواجه إمدادات الطاقة والتي تواجه الأجهزة الآلية الطبية الطويلة الأجل هائلة، ولكنها غير قابلة للتلف، وتستحق التطورات في كيميائيات البطاريات، ولا سيما في الولايات الصلبة وكبريت الليثيوم، تمديد فترات الدوام، مع تقليص البصمات، وتؤمن تقنيات نقل الطاقة اللاسلكية من الانتفاع إلى الموجات فوق الصوتية أجهزة للتخلي عن ربات الاتصال المادي.

ومع انتقال الروبوتات الطبية إلى الزرع الدائم والعلاج الطويل الأجل المستقل، لن يكون الإمداد بالطاقة بعد التفكير بل هو مطياف للتصميم من الدرجة الأولى، فالمهندسين الذين يتقنون التفاعل بين تخزين الطاقة ونقلها وتحويلها وتنظيمها سيفتحون الجيل القادم من آلات الشفاء - التي يمكن أن تعمل على مدار الساعة، داخل الجسم، لسنوات دون انقطاع، والتحدي الناشئ في المستقبل؛