משלוח כוח אמין נשאר אחד מצווארי הבקבוק ההנדסיים העיקשים ביותר באבולוציה של מכשירים רפואיים ארוכי טווח.כפי שרובוטים כירורגיים מרחיבים את נוכחותם מהליכים ארוכי שעות ועד לתערבויות טיפוליות ארוכות טווח - ובסופו של דבר במערכות מושתלות לחלוטין - את המגבלות של אחסון אנרגיה, שידור ובטיחות הופכים להיות חריפה יותר ויותר.ללא אספקת חשמל שיכולה להתאים את הסיבולה התפעולית של המכשיר, אפילו את הפלטפורמה הרובוטית חסרת תועלת ביותר היא לבחון אתגרים רפואיים ארוכי טווח זה, אשר מבצעים פתרונות קריטיים.

אתגרים באספקת חשמל עבור רובוטים רפואיים

יכולת סוללה ומגבלות ארוכות

הבעיה הדוחקת ביותר היא חיי סוללה.כימאיים הנוכחיים של ליתיום-יון, בעוד מתקדמים, עדיין מגבילים זמני ריצה רצופים למשך כמה שעות עבור יישומים עתירי עתירי גבוה כגון אנדוסקופיה רובוטית או גפיים פרוטטיים פעילים.עבור מכשירים שנועדו לפעול בתוך הגוף במשך שבועות או חודשים - לדוגמה, רובוטים עמידים לסמים או חיישנים מותאמים להשתלות - החלפת פולשים דורשת ניתוח פולשני, שהוא סיכון יקר וגם עבור רובוטים חיצוניים לתפקוד גופני של כוח לא מקובל.

יתר על כן, מספר מחזורי טעינה מדגימים את הכימיה הסוללה לאורך זמן. רובוט המשמש מדי יום בבית חולים יראה את יכולת הסוללה שלו ירידה ב-20-30% בתוך שנתיים, תוך ניכוי החלפת חומרה מוקדמת והוספת העלות הכוללת של הבעלות.המחזור הזה הוא בעייתי במיוחד עבור מכשירים כי יש לשמור על ביצועים עקביים לאורך שנים של שירות.

יציבות וביטחון בסביבה ביקורתית

רובוטים רפואיים פועלים בסביבות שבהן תנודות מתח יכולות להיות השלכות על החיים או על מוות.ירידה פתאומית בכוח במהלך אי דיוק או ניווט רובוטי של קתאטר יכול להוביל לתנועה בלתי מבוקרת, נזק רקמות, או גרוע מכך. יציבות כוח היא לא רק מדד ביצועים - זה הכרחי בטיחות המטופל מהחלפת ציוד חשמל יכול גם להפריע בציוד הדמיה רפואית רגיש, גרימת חפצים ב-MRI או אולטרסאונד, יכול להיות מהפרעות אבטחה אלקטרומגנטיות.

ניהול וגודל Constraints

סוללות בעלות גבוהה לייצר חום, במיוחד במהלך פריקה מהירה. ב קומפקטי רובוטי קומפקטי שנועד להתאים דרך מכונית או בתוך שקע דמה, מתפזר חום זה מבלי להעלות את טמפרטורת פני השטח של המכשיר מעל גבולות רגולטוריים (בדרך כלל 41 מעלות צלזיוס ליצירת קשר עם רקמת החולה) הוא אתגר גדול להוסיף כיור חום או עלייה במשקל פעיל קירור, אשר עם ההתנגשויות של משולשים רפואיים קשים ביותר עבור נפח זה הוא לחץ אווירי של תעשיית הטמפרטורות קשים ביותר.

כוח התקשורת וההתערבות האלחוטיים מושכים

רובוטים רפואיים ארוכי טווח מסתמכים על תקשורת אלחוטית עבור שליטה משוב נתונים.שמירה על קישור רדיו יציב צורכת כוח משמעותי, במיוחד כאשר הרובוט חייב לפעול באמצעות רקמות גוף עבות או בתוך חדרי הפעלה מוגנים.הכוח הדרוש להעברת וידאו ברזולוציה גבוהה מגלולת קפסולה פנימית, למשל, יכול לנקז סוללה בתוך דקות אם לא מנוהל בקפידה, נוכחות של מכשירים אלחוטיים רבים בחבילה בית חולים יוצרת פוטנציאל לתדירות והפסדים נוספים, אשר יכול לשרוף סוללה.

פתרונות לאתגרי Power Supply

סוללות מתקדמות Chemistries

הדרך הישירה ביותר לריצה ארוכה יותר היא באמצעות אחסון אנרגיה משופר.0. [מחזורי ליתיום-יון] מחזורי 1 של מחזורי מחזורי הליתיום (Lithium-ion סוללות FLT:1) נותרו סוס העבודה, אך ההתקדמות המצטברת בחומרי טבע של אגד וקטודה מעלה אנרגיה מסוימת מ-250 Wh/kg ליותר מ-300 Wh/kg בתאים מסחריים יציבים.

(ב) ,0) סוללות ליתיום-סולפור (Feloph) מציע צפיפות אנרגיה תיאורטית של 2,600 Wh / ק"ג, אם כי יישומים מעשיים עדיין מוחלפים על ידי פוליסופדי סוגרים ומחזור נמוך חיים.עבור יישומים שאינם נטענים, FLT:2primary Lithium-thium-thyl chloride; LTFua 3 יכול לספק עד 500 ק"ג'ל, 000, 000 גבוה יותר, אם הם גם כן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 נמוך יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 עבור סוללה, 000 יותר, 000 יותר, 000 יותר, 000 יותר, 000 יותר, 000 עבור תאים חסום, 000 נמוך יותר, 000 עבור סוללה, 000 עבור סוללה, 000 נמוך יותר, 000 עבור חסכוני יותר, 000 עבור תאים חסוריד, 000 עבור חסכוני יותר, 000 עבור חסכוני יותר, 000 עבור חסכוני יותר, 000 עבור צמיגים עבור תאים חסומים, 000 עבור צמיגים, 000 עבור חסכוני יותר, 000 עבור צמיגים, 000 עבור חסכוני יותר יעיל יותר, 000 עבור מחסנים יותר יעיל יותר יעיל יותר, 000 000

מערכת העברת חשמל אלחוטית

(ההעברה של המחברים הפיזיים לחלוטין באמצעות העברת כוח אלחוטית (WPT) היא גישה טרנספורמטיבית.(FLT:0Inductive הפיכה הפיכה הפיכה הפיכה ב-FLT:1 כבר בשימוש במכשירים צרכניים וניתן להתאים לרובוטים רפואיים.המערכת מורכבת משדר מחוץ לגוף ומקבלת סליל פנימי בתוך המכשיר; על ידי התאמה מדויקת לתאריות של תגמול, יעילות מעל 80% ניתן להשיג על פני מספר רב של רובוטים חסמימים:

(FLT:0) העברת כוח אל תוך הגוף, היא אלטרנטיבה מתפתחת המשתמשת גלים אקוסטיים ולא שדות מגנטיים. Ultrasound יכול לחדור עמוק יותר לתוך הגוף והוא פחות מושפע השתלים מתכתיים, אבל יעילותו הנמוכה יותר (בדרך כלל 20 עד 40% ברקמות) דורש אופטימיזציה זהירה של מערךי טרנספורמטיביים.

(FLT:0Mid-field אלחוטי כוח של PoweringFLT:1), אשר מנצל את ההפיכה בין גלי propaging ו evanescent, הוכיח את היכולת לטעון מכשירים בגודל מילימטר בתוך הגוף באמצעות משדר לביש.טכניקה זו עדיין ניסיונית במידה רבה אך מחזיקה בהבטחה לאספקת מיקרובוטים מבוזרים עבור משלוח סמים ממוקד.

מערכות היברידיות: שילוב של צ'ינג אלחוטי עם בעיות פנימיות

הפתרונות המעשיים ביותר משלבים העברת כוח אלחוטית עם סוללה פנימית קטנה או supercapacitor.קישור אלחוטי מספק טעינה מסובבת, בעוד ה-buffer אנרגיה מטפל בשיא הביקוש.גישה היברידית זו מפחיתה את גודל הסוללה על הסיפון תוך הבטחת כוח לא מופרע, גם אם הקישור האלחוטי חסום לרגע על ידי תנועה סבלנית.

אנרגיה מגוף וסביבה

(לניתוח אוטונומי לטווח ארוך, אנרגיה מתפתלת מהגוף עצמו היא המטרה האולטימטיבית. (FLT:0) לקצור אנרגיה קוצר ראייה (Kinetic Energy HarvestersFLT:1) יכול להמיר פעימות לב, תנועה נשימתית, או הליכה אל תוך חשמל באמצעות אדזואלקטרית או טרנסדוקטרינר אלחוטי (Flow-Flow) עם קיבולת אדזואלקטרית שיכולה לייצר 10-100 מיקרו-וואט מתנועה רגילה (Fed) לחשמל חשמלי) בין מיכל חום (Flow-Flow-Flow) לטמפרטורה של 2 ° CV) ל-32) לטמפרטורה אופטית (מסלולאריבית (DVal) ל-Flow-Flow-Floweric) ל-Flowic) ל-Flowic) ל-32) ל-Flowicial) של חומר ניקוי של גוף (מעגל חום (מעגל חום-Flower) לטמפרטורה של גוף (מתאים ל-Flowicial) עם מיכל חום (מתאים ל-Flow-Flow-Flow-Flowericial) עם מיכל חום (מתאים ל-32) של אטמוספירה של הגוף) של הגוף (מתאים ל-F

<חזק>תאים דלק אנזים שמשתמשים בגלוקוז מהמחזור הדם כדלק הם כיוון מבטיח עבור רובוטים מושתלים. תאי דלק אנזומטיים גלוקוז השיגו נחיתות כוח של 0.5-2 mW/CM2, אבל החיים שלהם מוגבלים על ידי הפחתת האנזים. <חזק> תאי דלק תוספת יכולים לפעול באופן תיאורטי במשך שנים, אבל התפוקה שלהם נמוכה מדי (<) עבור אלקטרוניקה מתאימה ביותר, במקום להחלפה מלאה.

אדריכלות: Power and Redundancy Architectures

אין מקור חשמל בלתי-נפס.רובים רפואיים לטווח ארוך חייבים לכלול מנגנונים בטוחים שאינם לטפל באובדן כוח בחסד. AnFLT:0uninterruptible power Supply (UPS)PSKFLT:1 המשולב בתחנת המרעה של הרובוט יכול לשמור על המכשיר בחיים במהלך תנודות מהירות או מותשת, סוללה משנית - אפילו תא זעיר - יכול לספק כוח חירום (מפרקים) עבור מחזורי חירום מהירים ו/מטען).

עיצובים רבים של רובוטים רפואיים כוללים כעת את ה-FLT:0 (כבישים) של כוח חלוצי (FLT: 1:1: שתי סוללות עצמאיות, כל אחת מהן מסוגלת לקיים את כל העומס, עם מתג אוטומטי אם אחת מהן נכשלת. גישה זו נדרשת על ידי תקני בטיחות בינלאומיים כמו IEC 60601, הדורשת כי אחת מהבעיות באספקת החשמל לא חייבת להוביל למצב מסוכן.

ניהול כוח ICs ו-Algorithms חכמים

יעיל באמצעות אנרגיה זמינה חשוב כמו אחסון זה.מודרני FLT:0power Management מעגלים משולבים (PMICs) IRLT:1 תוכנן עבור מכשירים רפואיים משלבים מספר רב של מסילות מתח, קשקשים בלחץ מתח דינמי, ועומס אנרגיה אנרגיה-אנרגיה מעבר. הם יכולים להפחית זרמי quiescent לטווח ננואמפ, המאפשרים ל Sleep תוך שמירה על זיכרון ותפקודי בזמן אמת-256, לדוגמה, Icom תומך ב-iCware תמיכה רק ב-iCOCDC תומך ב-iOS (מעקביות) ב-iCOCDC תומך רק ב-iOS (מעקביות) ב- BSA) תמיכה ב-ARMCDC תמיכה ב-ARMCDC תמיכה ב-injectable תמיכה ב-injectable תמיכה ב-injectable תמיכה ב-intraxitectsectsupable תמיכה ב-intrax.

אלגוריתמים של אלגוריתמים של אנרגיה-מודעים של אלגוריתמים של אלגוריתמים 1FLT (FLT:1) יכולים להרחיב באופן דרמטי את חיי הסוללה על ידי הפעלת כוח תת-מערכת בלתי-ביקורתית במהלך תקופות פעילות נמוכה. רובוט כירורגי שמבצעת תבערה אוטונומית עשוי להפחית את תקציב החשמל שלה ב-40% על ידי הפעלת צינורות עיבוד הראייה כאשר המחט אינו נע.מודלים של למידת מכונות יכולים לחזות שלבים ופעולות טרום תשלום, צמצום שיא דרישות גבוהות ותוכנות תרמיות לעתים קרובות הם אופטימיזציה סטנדרטיים אלה.

שיקולים רגולטוריים ובטיחות עבור מערכות חשמל

הגופים הרגולטוריים כגון מינהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) ותקנות ההתקנים הרפואיים האירופיים (MDR) כופים דרישות קפדניות במערכות חשמל עבור מכשירים רפואיים לטווח ארוך.ה-FLT:0 הדרכת ה-FDA על מכשירים רפואיים המופעלים על סוללות (MDR) כושים דרישות קפדניות עבור הגנה מרחוק תרמי, הגנה מופרזת וסובלנות קצרה.

הנדסה בטיחותית חייבת גם לקחת בחשבון את מצבי הכישלון הגרועים ביותר. משדר כוח אלחוטי שמאבד שליטה משוב יכול להיות רקמת חום יתר; לכן, טמפרטורה סגורה חישה והפסקת אוטומטי הם חובה. בדומה, מערכות ניהול סוללות חייב לכלול אדום overvoltage ותחת הסתמכות על הגנה מתחת למתח, לעתים קרובות מיושמת גם חומרה ודיגיטליתקה כדי למנוע נקודה אחת של רישום עם הפרמטרים של סוללות באמצעות תאים מוצפנים לא יכול להיות מסוגל לענות על ידי שימוש מוצפנים לא יכול להיות מסוגל לענות על ידי תאים משותפים של אבטחה.

מגמות עתידיות באספקת חשמל עבור רובוטים רפואיים לטווח ארוך

Transcutaneous Energy Transmissions

בתי חולים עתידיים עשויים להטביע משדרי חשמל אלחוטיים בטבלאות הפעלה, מיטות התאוששות ואפילו שמלות סבלניות.מערכות אלה יכולות ליצור "שמיכה כוח" אשר גובהו כל רובוט רפואי תואם בטווח, בדומה ל-Wi-Fi מספקת קישוריות לנתונים. Standards כגון מפרט ה- AirFuel Alliance מותאם לשימוש רפואי, המאפשרת טעינה בין-מנת מכשירים מיצרנים שונים.

מיקרו-קרבטים גרעיניים עבור רובוטים בלתי-שתלים

בעוד שנוי במחלוקת, גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) בקנה מידה לרמה מיקרו-וואט יכולים להשיל רובוטים במשך עשרות שנים ללא פיגור מחדש.העלויות הגבוהות וההידים הרגולטוריים להפוך את זה לסיכוי ארוך טווח, אבל הפיתוח של נאס"א של תאים בטאבולטיים באמצעות tritium או ניקל-63 הראה כי סוללות גרעיניות בטוחות, בעלות נמוכה יכול לספק כוח רציף עבור 30 שנים נוספות, כמו ממשק עצבי, כמו יישומים קבועים, כמו יישומים קבועים, כגון, כמו יישומים קבועים, כמו גם כן, כמו ממשקים, כמו יישומים קבועים, כמו גם תקינים, כגון, כגון, יכול להיות סטנדרטיים, כמו גם תקנים, כמו יישומים קבועים, כמו יישומים קבועים, כמו גם אטומיים, כמו גם פלטפורמות מסחר.

מערכות אנרגיה

(הגביע הקדוש הוא אספקת חשמל שהופכת לחלק ממטבוליזם הגוף עצמו.מחקר ל-FLT:0) לאספקת דלק ביו-מעור בהשראת תאי דלק 1 מילימטרים ללא הגבלת זמן, הממחיש את מחזור הקרבס כדי לחלץ אלקטרונים מגלוקוז, הוא מתמשך במעבדה כגון מכון קוך של MIT, אם מערכות אלה יכולות לספק כוח מחוספס על ידי שימוש בדלקים של הגוף, כלומר, כלומר, ל-F2crecrecretcretextcretcretcretcretcretexi-F2cretexa-F2cretcreta, רק תחת חומר ניקוי אחד בלבד, בתוך חומר ניקוי עצבי אחד בלבד.

מסקנה

האתגרים של אספקת החשמל העומדים בפני מכשירים רפואיים ארוכי טווח ניתנים להפרדה, אך הם אינם ניתנים למדידה.התקדמות בכימיה של סוללות - במיוחד מצב מוצק ומכסה-ליום-סולפור - מרחיבים את זמני הריצה תוך הקטנת עקבות.טכניקות העברת כוח אלחוטיות מניתוק הפיכה לאולטרסאונד משתחררות מכשירים ממכשירי התקשורת הגופנית.

בעוד הרובוטיקה הרפואית נעה לקראת השתלים קבועים וטיפול אוטונומי לטווח ארוך, אספקת החשמל כבר לא תהיה לאחר מחשבה, אלא פרמטר עיצוב ברמה ראשונה. מהנדסים אשר שולטים בין אחסון אנרגיה, העברה, המרתה ותקנה יפתחו את הדור הבא של מכונות ריפוי - devices שיכולים לעבוד סביב השעון, בתוך הגוף, במשך שנים ללא הפרעה, האתגר הוא עצום; הפתרונות מתעוררים; הם עתידיים מופעל.