Resumen de Desarrollo de sistemas de transmisión inalámbrica de potencia miniaturizados para actuadores electromecánicos en aplicaciones médicas e industriales
- español
Los recientes desarrollos en los sistemas de transmisión inalámbrica de potencia, combinados con las nuevas técnicas de microfabricación, abren un gran abanico de posibilidades en el área médica en cuanto al desarrollo de herramientas que permiten realizar cirugías mínimamente invasivas o desarrollar dispositivos implantables de dimensiones reducidas que monitorean constantes dentro del cuerpo humano, facilitando la detección temprana de enfermedades o controlando la salud de pacientes con enfermedades crónicas. La principal dificultad en el desarrollo de estos sistemas radica en diseñar antenas de dimensiones reducidas con alta eficiencia y capaces de trabajar a una frecuencia baja en la cual la absorción de energía electromagnética del cuerpo humano no sea elevada, ya que cuanto menor es el tamaño, por norma general la frecuencia de resonancia de las antenas es mayor, y peor es su rendimiento.
En esta tesis doctoral se ha desarrollado un sistema de transmisión inalámbrica miniaturizado de potencia orientado a energizar un microactuador de dimensiones submilimétricas para diversas aplicaciones médicas desarrollado en el proyecto H2020 UWIPOM2. Este sistema está compuesto por antenas de dimensiones reducidas, con frecuencias de resonancia que las hacen adecuadas para operar dentro del cuerpo humano, y un controlador encargado de transformar la energía captada por las antenas en las señales requeridas por el microactuador.
Para ello, se han diseñado, simulado, fabricado y ensayado antenas de dos morfologías diferentes: una antena plana de espiral de Arquímedes de 1.1 mm de diámetro y 0.537 mm de altura, con frecuencia de resonancia en 4.9 GHz y ganancia de -42.3 dBi, y dos antenas de hélice de 0.352 mm de diámetro y 6.1 mm de longitud, y de 0.8 mm de diámetro y 6.2 mm de longitud, con frecuencias de resonancia en 4.7 GHz y ganancia de -4.7 dBi, y frecuencia de resonancia en 1.52 GHz y ganancia de -14.73 dBi, respectivamente. Se comprobó su correcto funcionamiento y se midieron sus parámetros fundamentales, que coincidían con los obtenidos en simulación. Ha sido necesario desarrollar mecanismos de microfabricación y ensayo adaptados a las dimensiones micrométricas de las antenas. Asimismo, se simularon y ensayaron las antenas rodeadas por tejidos orgánicos similares a los humanos, observando una disminución en la frecuencia de resonancia en estas situaciones. También, se presentan los resultados de la caracterización de dos rectenas, ensayadas en una cámara semianecoica en condiciones de espacio libre y rodeadas por tejidos orgánicos. Se demuestra que una de las rectenas es capaz de entregar la energía suficiente como para energizar el microactuador inalámbricamente, y se analizan diferentes escenarios de operación dentro del cuerpo humano.
- English
Recent developments in wireless power transmission systems, combined with new microfabrication techniques, open a wide range of possibilities in the medical field in terms of the development of tools that allow minimally invasive surgeries or the development of implantable devices of reduced dimensions that monitor constants inside the human body, facilitating the early detection of diseases or controlling the health of patients with chronic diseases. The main difficulty in the development of these systems lies in designing small antennas with high efficiency and capable of working at a low frequency in which the absorption of electromagnetic energy from the human body is not high, since the smaller the size, the higher the resonant frequency of the antennas, and the worse their performance. In this doctoral thesis, a wireless power transmission system has been developed to energise a micro-actuator of sub-millimetre dimensions for various medical applications developed in the H2020 project UWIPOM2. This system is composed of antennas of reduced dimensions, with resonant frequencies that make them suitable to operate inside the human body, and a controller in charge of transforming the energy captured by the antennas into the signals required by the microactuator. For this purpose, antennas of two different morphologies have been designed, simulated, manufactured and tested: a flat Archimedean spiral antenna of 1.1 mm diameter and 0.537 mm height, with resonant frequency at 4.9 GHz and gain of -42.3 dBi, and two helical antennas of 0.352 mm diameter and 6.1 mm length, and 0.8 mm diameter and 6.2 mm length, with resonant frequencies at 4.7 GHz and gain of -4.7 dBi, and resonant frequency at 1.52 GHz and gain of -14.73 dBi, respectively. Their correct operation was checked, and their fundamental parameters were measured, which coincided with those obtained in simulation. This required the development of microfabrication and test mechanisms adapted to the micrometric dimensions of the antennas. Antennas surrounded by human-like organic tissues were also simulated and tested, observing a decrease in the resonant frequency in these situations. The results of the characterisation of two rectennas, tested in a semi-anechoic chamber under free space conditions and surrounded by organic tissues, are also presented. It is demonstrated that one of the rectennas can deliver enough energy to power the microactuator wirelessly, and different scenarios of operation inside the human body are analysed.
