Ультразвук вместо розеток: ученые научились заряжать устройства сквозь воду и кожу

Ученые из Корейского института науки и технологий (KIST) и Корейского университета разработали гибкий ультразвуковой приемник, который обеспечивает беспроводную зарядку под водой и внутри человеческого тела. Это устройство, описанное в журнале Advanced Materials, может питать медицинские имплантаты, морские датчики и дроны без проводов и необходимости частой замены батарей.

Как работает технология

Новый приемник использует ультразвуковые волны — звуковые колебания высокой частоты, которые легко проходят через воду и ткани, в отличие от электромагнитных волн, теряющих энергию. Устройство состоит из тонких слоев пьезоэлектрического материала, который вибрирует под действием ультразвука, генерируя электричество. Трибоэлектрический слой усиливает заряд за счет трения, как статическое электричество при расчесывании волос. Гибкая структура, подобная силиконовой пленке, адаптируется к движениям тела или морским течениям. Оно выдерживает изгиб и растяжение, не теряя эффективности. 

Ультразвук посылается внешним передатчиком, а приемник преобразует его в энергию с эффективностью до 30% — это втрое выше, чем у предшественников. В тестах приемник выдавал 20 милливатт энергии на расстоянии 3 см под водой и 7 милливатт — через 3 см ткани. Этого достаточно для питания кардиостимуляторов, нейростимуляторов или носимых датчиков. Для демонстрации ученые зажгли светодиод с логотипом KIST, используя беспроводной ультразвук.

«Мы продемонстрировали, что технология беспроводной передачи энергии с использованием ультразвука может быть применена практически», — сказал доктор Сунхун Гур из KIST.

По сравнению с традиционными ультразвуковыми приемниками, которые имели жесткую конструкцию и низкую эффективность (менее 10% преобразования энергии), новое устройство увеличивает выход энергии в 5–10 раз — благодаря оптимизированным материалам и трибоэлектрическому эффекту (генерации заряда при трении слоев).

Где это будет использоваться

Медицинские имплантаты, такие как кардиостимуляторы, требуют надежного питания, но их батареи приходится менять каждые 5–10 лет, что означает хирургическое вмешательство. Подводные устройства, вроде морских датчиков, сталкиваются с проблемами замены батарей в глубинах океана.

Традиционная беспроводная зарядка (например, индукция) плохо работает в воде или тканях из-за помех и низкой дальности (менее 1 см). Ультразвуковая технология решает эти проблемы: она безопасна (используется в УЗИ-диагностике), проникает на глубину до 10 см и не создает электромагнитных помех.

Гибкость и биосовместимость приемника позволяют встраивать его в имплантаты или носимые устройства, снижая риск отторжения. В морских условиях он может питать автономные дроны, собирающие данные о климате, на годы без обслуживания.

Команда планирует миниатюризировать устройство до 1 мм для имплантатов и коммерциализировать его к 2030 году. Технология может сократить расходы на обслуживание имплантатов на 50% и продлить срок службы морских датчиков до 10 лет, поддерживая экологические исследования.