双模式电源组智能隐形眼镜的供电新利器

ERFAN POURSHABAN

智能隐形眼镜的潜在用例引人注目且种类繁多。只要将一片隐形眼镜戴在眼睛上，即可监测血糖值等健康数据；为眼部疾病输送针对性药物；通过资讯显示器直接在眼前体验增强现实 (AR) 和阅读新闻更新。

然而，眼睛对于电子设计而言是一大挑战：眼角膜是人类组织中神经密度最高的组织之一（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5872636/），其敏感度是皮肤的300至600倍。研究人员已经开发出微小的柔性芯片，但事实证明，电源更难，因为大型电池和电线显然不适合用在眼睛上。现有解决方案都没有解决这个问题，例如需要过夜感应充电以及其他依赖于某种外部电池的设计。

现在，犹他大学的一个团队表示，他们已经开发出了一种更好的解决方案：一种专门为基于眼睛的技术设计的一体式混合能源发电装置。

在3月13日发表在Small杂志上的一篇论文中（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202401068），研究人员描述了他们是如何制造该设备的，该设备将柔性硅太阳能电池与一种将眼泪转化为能量的新设备相结合。该系统可靠地供应足够的电力来操作智能隐形眼镜和其他眼部设备。

Erfan Pourshaban在犹他大学读博士时曾研究过该系统，他说，这是对独立电池无线电力传输的重大改进。

Pourshaban现在是德克萨斯仪器公司的工艺集成工程师，他说：“目前的大多数研究都包括一种无线功率传输，镜片上有一个天线，另一个设备只能在约1厘米的非常非常小的间隙内。它必须在你的视线中，这不太实际。如果你不能真正佩戴它，那么智能隐形眼镜的实际技术有多棒也无关紧要。我们必须创建一个可以独立运行的设备。”

为了制造这种电源包，Pourshaban和他的同事们制作了定制的产品。第一步是小型化的柔性硅太阳能电池，它可以捕获来自太阳和灯等人造光源的光。该团队连接了八个微小的（1.5 x 1.5 x 0.1毫米）刚性晶体电池，并将其封装在聚合物中，制成柔性光伏系统。

第二部分是一个由眨眼启动的系统，其功能类似于金属空气电池。佩戴者的天然眼泪——更具体地说是眼泪中的电解质——可以作为生物燃料发电。

这种获取能量发生在眨眼的瞬间：当眼睛完全睁开时，收集器处于关闭状态。然后，当眼睛开始眨眼时，眼泪电解质会遇到镁阳极，引起氧化反应并产生电子。最后，眼泪电解质与阳极和铂金阴极都接触，通过阳极表面的进一步氧化和阴极表面的氧还原产生更多能量。由于眼睑的运动和眼泪的不断更新，可以防止电极结垢。

这个能量生成设备的两个“部分”通过一个带有集成11毫法拉超级电容器的电源管理电路连接在一起，该电路将电压转换成直流电进行升压，最终在无需天线、外部电池组或特殊充电外壳的情况下提供约150微瓦的稳定3.3伏特的电力。

该系统是“智能隐形眼镜领域的一个令人兴奋的发展”，生物传感器专家、加州理工大学医学工程助理教授Wei Gao没有参与这项研究，但他指出，智能隐形眼镜的前景一直受到限制，因为“这些设备的关键障碍在于需要可持续的电源”。

他指出，这种新的电源组不仅“用户友好”，而且是一种“创新的双模式能量收集方法”，可以利用两种能量收集模式，因此无论眼睛是睁开还是闭上都在持续发电。

Gao补充道：“这种设备的可靠电力输出可以为各种应用提供动力，包括可穿戴生物传感器和直接在眼部环境中的电控药物给药系统。”

Pourshaban对此表示赞同，并补充道，有一些明显的消费者应用，比如向跑步者显示心率、速度和锻炼过程中卡路里消耗的镜片。零售商可以通过跟踪购物者如何扫描货架和选择商品来收集有价值的消息。他说，商业化的潜力巨大且多样的。

然而，Pourshaban可能对监测眼睛健康方面潜在的应用更感兴奋，其中包括像老花眼这种常见的老年性远视（通常在40多岁开始出现，https://www.mayoclinic.org/diseases-conditions/presbyopia/symptoms-causes/syc-20363328），以及青光眼（https://www.nei.nih.gov/learn-about-eye-health/eye-conditions-and-diseases/glaucoma）等更严重更隐蔽的疾病。

Pourshaban说：“青光眼被称为无声的视力窃贼：它没有疼痛，你可能什么都没有注意到，然而突然之间，如果在两次眼科医生检查之间眼压变得过高，患者就有可能会不可逆地失去视力。如果我们能够实时检测这些和其他情况的警告信号，并迅速进行干预，它可以改变一个人的生活轨迹。”