Energy harvesting from diaphragm muscle using piezoelectric specification

Subject Areas : Electronic Engineering

Sepehr khalafzadeh ¹ , Farshad Pesaran ² , Nabiollah Shiri ³

1 - Department of Electrical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
2 - Islamic Azad University, Shiraz Branch
3 - Department of Electrical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Received: 2024-01-20 Accepted : 2024-02-08 Published : 2024-07-31

Keywords: Implantable devices, energy harvester, diaphragm, respiratory, piezoelectric.,

Abstract :

One of the most important applications of bioelectronics is to improve health and increase the lifespan of people through implantable devices. These types of equipment become more important and find more applications day-by-day. To improve the performance and lifetime of these equipment inside the body, they must have a stable energy supply. Batteries can save energy, but they must be replaced by passing the time, and this causes resurgery and extra costs for the patient. In this regard, many efforts have been made to supply this needed energy from inside the body. In this research, a new method for harvesting energy from the contraction movement of the diaphragm muscle is presented. In this method, a mechanical structure is used that transfers the energy from the diaphragm movement to the piezoelectric layer through a silicon spring. The piezoelectric layer stores the harvested energy in the electrical form.

References:

[1] L. Huang et al., “Fiber‐Based Energy Conversion Devices for Human‐Body Energy Harvesting,” Advanced Materials, vol. 32, no. 5, p. 1902034, Jun. 2019, doi: https://doi.org/10.1002/adma.201902034.
[2] N. Wu, B. Bao, and Q. Wang, “Review on engineering structural designs for efficient piezoelectric energy harvesting to obtain high power output,” Engineering Structures, vol. 235, p. 112068, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112068.
[3] C. B. Williams and R. B. Yates, “Analysis of a micro-electric generator for microsystems,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 52, no. 1–3, pp. 8–11, Mar. 1996, doi: https://doi.org/10.1016/0924-4247(96)80118-x.
[4] S. Mohammadi, K. Cheraghi, and A. Khodayari, “Piezoelectric vibration energy harvesting using strain energy method,” Engineering Research Express, vol. 1, no. 1, p. 015033, Sep. 2019, doi: https://doi.org/10.1088/2631-8695/ab3f0c.
[5] E. M. Qureshi, X. Shen, and J. Chen, “Vibration control laws via shunted piezoelectric transducers: A review,” International Journal of Aeronautical and Space Sciences, vol. 15, no. 1, pp. 1–19, Mar. 2014, doi: https://doi.org/10.5139/ijass.2014.15.1.1.
[6] C. Dagdeviren et al., “Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 111, no. 5, pp. 1927–1932, Jan. 2014, doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1317233111.
[7] H. Lee, S. Sherrit, L. Tosi, P. Walkemeyer, and T. Colonius, “Piezoelectric Energy Harvesting in Internal Fluid Flow,” Sensors, vol. 15, no. 10, pp. 26039–26062, Oct. 2015, doi: https://doi.org/10.3390/s151026039.
[8] C. Lu, V. Raghunathan, and K. Roy, “Efficient Design of Micro-Scale Energy Harvesting Systems,” IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, vol. 1, no. 3, pp. 254–266, Sep. 2011, doi: https://doi.org/10.1109/jetcas.2011.2162161.
[9] Y. Liu et al., “Piezoelectric energy harvesting for self‐powered wearable upper limb applications,” Nano Select, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1002/nano.202000242.
[10] J. Tian et al., “Self-powered implantable electrical stimulator for osteoblasts’ proliferation and differentiation,” Nano Energy, vol. 59, pp. 705–714, May 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.073.
[11] N. Sezer and M. Koç, “A comprehensive review on the state-of-the-art of piezoelectric energy harvesting,” Nano Energy, vol. 80, no. 105567, p. 105567, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105567.
[12] N. Wu, B. Bao, and Q. Wang, “Review on engineering structural designs for efficient piezoelectric energy harvesting to obtain high power output,” Engineering Structures, vol. 235, p. 112068, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112068.
[13] H. Liang, G. Hao, and O. Z. Olszewski, “A review on vibration-based piezoelectric energy harvesting from the aspect of compliant mechanisms,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 331, p. 112743, Nov. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112743.
[14] K. A. Cook-Chennault, N. Thambi, and A. M. Sastry, “Powering MEMS portable devices—a review of non-regenerative and regenerative power supply systems with special emphasis on piezoelectric energy harvesting systems,” Smart Materials and Structures, vol. 17, no. 4, p. 043001, Jun. 2008, doi: https://doi.org/10.1088/0964-1726/17/4/043001.
[15] Y. Zou, L. Bo, and Z. Li, “Recent progress in human body energy harvesting for smart bioelectronic system,” Fundamental Research, vol. 1, no. 3, pp. 364–382, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.05.002.
[16] A. Wang et al., “Piezoelectric nanofibrous scaffolds as in vivo energy harvesters for modifying fibroblast alignment and proliferation in wound healing,” Nano Energy, vol. 43, pp. 63–71, Jan. 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.023.
[17] J. G. Wen et al., “Melamine Related Bilateral Renal Calculi in 50 Children: Single Center Experience in Clinical Diagnosis and Treatment,” Journal of Urology, vol. 183, no. 4, pp. 1533–1538, Apr. 2010, doi: https://doi.org/10.1016/j.juro.2009.12.040.
[18] C.-S. Kim, S.-K. Kim, and S. Y. Lee, “Piezoelectric properties of new PZT–PMWSN ceramic,” Materials Letters, vol. 57, no. 15, pp. 2233–2237, Apr. 2003, doi: https://doi.org/10.1016/s0167-577x(02)01201-6.
[19] T. Adam and U. Hashim, “COMSOL Multiphysics Simulation in Biomedical Engineering,” Advanced Materials Research, vol. 832, pp. 511–516, Nov. 2013, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.832.511.
[20] J. Chen et al., “Novel pyroelectric single crystals PIN-PMN-PT and their applications for NDIR gas detectors,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 63, no. 1, pp. 01SP20–01SP20, Dec. 2023, doi: https://doi.org/10.35848/1347-4065/acfcc4.
[21] B Upendra, B Panigrahi, K. Singh, and GR Sabareesh, “Recent advancements in piezoelectric energy harvesting for implantable medical devices,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 35, no. 2, pp. 129–155, Oct. 2023, doi: https://doi.org/10.1177/1045389x231200144.
[22] Nabiollah Shiri, Hadi Veladi, and Hanieh NiroomOscuii, “A New Rotational Stepwise Mechanical Energy Harvester for Biomedical Implants,” Sensors and materials, vol. 30, no. 6, pp. 1319–1319, Jun. 2018, doi: https://doi.org/10.18494/sam.2018.1740.

Full-Text:



Energy harvesting from diaphragm muscle using …/ Khalafzadeh, et. al.

Energy harvesting from diaphragm muscle

using piezoelectric specification

Sepehr Khalafzadeh1, Farshad Pesaran2*, Nabiollah Shiri3

1 Department of Electrical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

[e-mail]

1 Department of Electrical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

[e-mail]

1 Department of Electrical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

[e-mail]

Abstract: One of the most important applications of bioelectronics is to improve health and increase the lifespan of people through implantable devices. These types of equipment become more important and find more applications day-by-day. To improve the performance and lifetime of these equipment inside the body, they must have a stable energy supply. Batteries can save energy, but they must be replaced by passing the time, and this causes resurgery and extra costs for the patient. In this regard, many efforts have been made to supply this needed energy from inside the body. In this research, a new method for harvesting energy from the contraction movement of the diaphragm muscle is presented. In this method, a mechanical structure is used that transfers the energy from the diaphragm movement to the piezoelectric layer through a silicon spring. The piezoelectric layer stores the harvested energy in the electrical form.

Keywords: Implantable devices, energy harvester, diaphragm, respiratory, piezoelectric.

JCDSA, Vol. 2, No. 5, Spring 2024	Online ISSN: 2981-1295	Journal Homepage: https://sanad.iau.ir/en/Journal/jcdsa
Received: 2024-02-08	Accepted: 2024-04-28	Published: 2024-06-11
CITATION	Khalafzadeh, S., et. al., "Energy harvesting from diaphragm muscle based on piezoelectric specification", Journal of Circuits, Data and Systems Analysis (JCDSA), Vol. 2, No. 5, pp. 45-51, 2024. DOI: 00.00000/0000
COPYRIGHTS	©2024 by the authors. Published by the Islamic Azad University Shiraz Branch. This article is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) https://creativecommons.org/licenses/by/4.0

 

* Corresponding author

 

Extended Abstract

1-       Introduction

One of the challenges in implantable devices is providing their required energy. From a long-term perspective, their batteries need to be replaced and recharged, so, researchers are presenting energy harvesting from the human body.

Energy harvesting is divided into outside the body (wearable), and inside the body (implantable). Chemical, mechanical, and thermal energy harvesting are popular mechanisms. Wearable electronics have problems like power consumption, high volume, and restriction, so, a flexible triboelectric nanogenerator was introduced.

As a thermal energy harvesting, a flexible three-dimensional spring-like thermoelectric device (S-TED) with double elastomeric layers and air gaps was presented.

In vivo energy harvesting increases the lifetime of implantable medical devices, it is an attractive process and satisfies sources of power supply in low-power applications. The method of harvesting energy should be stable and permanent to exempt the patients from battery replacement surgery and reduce the costs and risks of re-surgery. The energy was stored from internal organs in the spring as an in vivo mechanical energy harvesting, a triboelectric nanogenerator harvests energy from the breathing and diaphragm, which is suitable for electrically stimulating different neuronal structures.

The piezoelectric nanogenerators are another in vivo energy harvesting method that is applicable for low-frequency movements. Piezoelectric materials are a sufficient way to directly transfer mechanical energy to electric energy, but in general, these types of equipment are facing important challenges that are addressed in this research.

Firstly, the efficiency of energy transformation needs to be improved, while balancing the energy harvesting efficiency and the relevant harvesting technology is an important challenge. Secondly, the verification of the long-term operation of the organism to achieve a symbiotic state, and the biocompatibility of the devices require a large number of animal experiments and clinical trials. As an energy harvester’s application the stimulation of the vagus nerve helps the treatment of many diseases, such as obesity, neurological and mental diseases, and Alzheimer's. This equipment, like other equipment that can be placed in the body, needs a battery to provide its energy. Therefore, in this research, a biocompatible energy harvesting system is designed to provide the energy of this stimulant from diaphragm motion.

2-       Methodology

In this study, the diaphragm muscle is chosen to harvest energy from it, because of its strength and constant movement. Also, from the implantable viewpoint, there is a suitable space around the diaphragm muscle for the harvester devices. Lead zirconate titanate (PZT) has good results in experimental evaluations in converting mechanical energy into electrical energy.

As a piezoelectric material, the PZT-8 satisfies the requirements of the proposed energy harvester, especially for in vivo and low-frequency movement. The diaphragm muscle in its relaxed state is convex and the contraction causes it to decrease and become an almost flat surface, this deformation causes a force to be applied to the piezoelectric layer.

3-       Results and discussion

One of the factors that is very important in the design and construction of energy harvesters is how much electrical energy can be harvested from the muscle. In this article, we have investigated these issues and the mechanical changes and electrical outputs of the harvester To check the accuracy of the performance, the results are shown after 100 time periods. A graphical diagram of distributed voltage on the piezoelectric device is represented and the results confirm the performance of the presented model.

4-       Conclusion

An energy harvester model is presented which is an implantable piezoelectric nanogenerator (IPENG). It harvests mechanical energy from the diaphragm muscle. Evaluations show that this harvester can provide satisfying energy for long-time usage and this feature presents the design as a long-life battery to prevent multiple battery replacement surgeries. The piezoelectric energy harvesting systems are compared with the presented structures, without harming the body. The results show that the proposed structure is suitable for supplying implantable medical devices.

 

 

 

برداشت انرژی از ماهیچه دیافراگم با استفاده از خاصیت پیزوالکتریکی

سپهر خلف‌زاده1، فرشاد پسران2¹، نبی‌اله شیری3

1،2،3- گروه مهندسی برق، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران

 ([e-mail], [e-mail], [e-mail])

چکیده: یکی از مهمترین کاربردهای بیوالکترونیک بهبود سلامت و افزایش طول عمر افراد از طریق دستگاه‌های قابل جای‌گذاری در بدن است. این نوع تجهیزات روز به روز اهمیت و کاربرد بیشتری پیدا می‌کنند. برای بهبود عملکرد این تجهیزات و افزایش طول عمرشان در داخل بدن، باید منبع انرژی پایداری داشته باشند. باتری‌ها هرچند قابلیت ذخیره‌ کردن انرژی را دارند، اما با گذر زمان نیاز به تعویض دارند که باعث تحمیل جراحی مجدد و هزینه اضافی به بیمار می‌شود. تلاش‌های زیادی برای تامین این انرژی مورد نیاز از داخل بدن صورت گرفته است. در این مقاله روش جدیدی برای برداشت انرژی از حرکت انقباضی عضله دیافراگم ارائه شده است. در این روش از یک ساختار مکانیکی استفاده شده که انرژی حاصل از حرکت دیافراگم را از طریق فنر سیلیکونی به لایه پیزوالکتریک منتقل می‌کند. لایه پیزوالکتریک انرژی را به‌صورت الکتریکی در خود ذخیره می‌کند.

واژه های کلیدی: دستگاه‌های کاشتنی، برداشت‌کننده انرژی، دیافراگم، تنفسی، پیزوالکتریک

DOI: 00.00000/0000		نوع مقاله: پژوهشی
تاریخ چاپ مقاله:  22/03/1403	تاریخ پذیرش مقاله:  10/02/1403	تاریخ ارسال مقاله: 19/11/1402

 

---

[1]  نویسنده­ مسئول

 

1-        مقدمه

دستگاه­های کاشتنی در علم پزشکی روز به روز در حال گسترش هستند و کاربردی­تر می­شوند. اما این دستگاه­ها قبل از کاشت در بدن نیاز به آزمایش­های زیادی دارند تا محققین مطمئن شوند که آسیبی به بدن بیمار وارد نمی­کنند. یکی از عواملی که باید از کارایی آن اطمینان حاصل شود بخش تامین انرژی این تجهیزات است. باتری­ها این انرژی را تامین می­کنند، اما دائمی نیستند و برای تعویض آنها نیاز به هزینه و جراحی دارند. برای حل این مشکل، محققان به این فکر افتادند که انرژی مورد نیاز این تجهیزات را با برداشت انرژی از بدن انسان تامین کنند. این کار دو مزیت دارد: اول اینکه نیاز به تعویض و جراحی مجدد ندارد و دوم اینکه تا زمانی که بدن انسان زنده است کار می­کند. بدن موجودات زنده به خصوص بدن انسان چه در داخل و چه در خارج از بدن پتانسیل بالایی برای برداشت انرژی دارد. این تحقیق به بررسی و ارائه روشی برای برداشت انرژی از داخل بدن می­پردازد. لذا بررسی اجمالی از برخی تحقیقاتی که تاکنون در این راستا انجام شده است، ارائه می­شود. برداشت انرژی از بدن محدودیت­هایی دارد و باید به آن­ها دقت کرد که اولاً در حرکت اندام هدف اختلال ایجاد نکند و ثانیاً مواد تجهیز زیست سازگار¹ است یا نه. انرژی مکانیکی حاصل از حرکت اعضای داخلی بدن پتانسیل خوبی برای برداشت انرژی دارد.

در یکی از تحقیقات انجام شده، ساختار مارپیچی را پیشنهاد کرده­اند که می تواند با استفاده از انرژی ذخیره شده در فنر، انرژی را از ضربان قلب برداشت کند [1]. روش دیگر برای برداشت این انرژی، استفاده از نانو ژنراتور تریبوالکتریک² است که تلاشهای زیادی در این زمینه صورت گرفته است. یکی از کاربردهایی که برای خروجی این نوع برداشت­گر بسیار مناسب است، تحریک ساختارهای عصبی مختلف است [2]. در بین تمامی روش­های برداشت انرژی، استفاده از مواد پیزوالکتریک بسیار رایج است که در این مقاله از یکی از این مواد استفاده می­شود، زیرا برای برداشت انرژی از حرکات اندام­های داخلی بدن با فرکانس پایین عملکرد خوبی دارند. مواد پیزوالکتریک به عنوان مواد هوشمند شناخته می­شوند زیرا به راحتی می­توانند انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل کنند. مزیت دیگر داشتن چگالی انرژی بالاتر نسبت به مبدل­های دیگر مانند مواد تریبوالکتریک و الکترومغناطیسی است [3-5]. این ویژگی­ها مواد پیزوالکتریک را از سایر مواد برای برداشت انرژی متمایز می­کند. محققان روش های مختلفی را برای استفاده از مواد پیزوالکتریک در برداشت کننده­های انرژی ارائه کرده­اند. یکی از تحقیقاتی که در سال 2013 انجام شد، لایه­ای از پیزوالکتریک را در اندام­های داخلی (قلب، ریه ها و دیافراگم) گاو قرار داده و با تغییر ضربان قلب، خروجی­های متفاوتی را گزارش کردند. در این تحقیق از مواد PZT استفاده شده­بود [6]. 

یکی از اهداف برداشت انرژی، رفع نیاز وسایل پزشکی قابل کاشت به داشتن منبع انرژی خارجی است. یکی از این تجهیزات ضربان­ساز است. در همین راستا، در سال 2019، گروهی از محققین ساختاری را پیشنهاد کردند که با استفاده از ساختار فنری شکل به صورت یکپارچه که بر روی سرهای³ ضربان­ساز قرار می­گیرد و با برداشت نیروی حاصل از پمپاژ قلب، انرژی مورد نیاز دستگاه را تامین می­کند. انرژی الکتریکی که از برداشت­گرها به دست می­آید ناشی از حرکت اندام­های داخلی با فرکانس پایین است که خروجی را به صورت گسسته ارائه می­کند. در همین راستا، گروهی از محققان در سال 2018 ساختاری را طراحی کردند که می­تواند مستقیماً جریان DC تولید کند. آنها این ساختار را روی دیافراگم یک موش قرار دادند و توانستند دریافت 2.2 ولت DC را گزارش کنند [7].­­ علی­رغم تمام این تلاش‌ها، برداشت‌کننده‌های انرژی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و قبل از استفاده در مقیاس وسیع باید مسائل زیادی را در نظر گرفت. یکی از مهم­ترین مواردی که باید به آن توجه کرد طول عمر دستگاه است. همان­طور که قبلا ذکر شد، یکی از دلایلی که در پس ایده برداشت­کننده­های انرژی وجود دارد، اجتناب از جراحی­های مکرر برای تعویض باتری است، بنابراین تا زمانی که بیمار زنده است، دستگاه باید توانایی کار کردن را داشته­باشد [8].

چالش بعدی، زیست سازگاری است و موادی که این ویژگی را دارند باید استفاده شوند یا با پوششی که زیست سازگار است در داخل بدن قرار گیرند. طرف دیگر برداشت انرژی این است که چگونه و برای چه هدفی می­توان از آن انرژی استفاده کرد. با فراگیرتر شدن استفاده از وسایل کاشتنی در بدن، نیاز به این نوع انرژی بیشتر می­شود. یکی از کاربردهایی که قبلا مورد استفاده قرار گرفته است، تحریک عصب واگ است که برای درمان بیماری­های مزمن مانند افسردگی، اختلالات دوقطبی و چاقی استفاده می­شود [9]. کاربرد دیگر، تسریع روند بهبودی استخوان­های شکسته شده­است [10]. 

این مقاله سه بخش اصلی دارد که در بخش اول به بررسی روش پیشنهادی، نحوه شبیه­سازی عضله دیافراگم، ساختار کلی برداشتگر مورد نظر و نحوه قرارگیری آن پرداخته شده است. در بخش بعدی بررسی نتایج حاصل از شبیه­سازی و مقایسه آن با تعدادی از روش­هایی است که پیش از این انجام داده شده ، بیان شده است. در بخش پایانی هم نتیجه­گیری حاصل از این مقاله بیان شده است.    

2-       روش پیشنهادی

در طراحی و ساخت برداشت­کننده­های انرژی، موارد مهم زیادی وجود دارد. یکی از این موارد این است که انتخاب اندام مورد نظر جهت برداشت انرژی است که پس از نصب تجهیزات در عملکرد بدن اختلال ایجاد نکند و به سلامتی بیمار آسیبی وارد نشود. عضله دیافراگم برای این کار بسیار مناسب است؛ زیرا هم انرژی کافی دارد و هم فضای کافی برای نصب برداشتگر انرژی دارد. عامل مهم دیگر این است که از چه موادی برای ساخت دستگاه استفاده می­شود تا در برداشت انرژی بهینه­ترین حالت ممکن را داشته باشد. در برداشت­گر انرژی مورد نظر، از یک ماده پیزوالکتریک به نام تیتانات سرب زیرکونات (pzt-8) استفاده شده است که برای استفاده در حرکات با فرکانس پایین مناسب است [11-15]. این ماده در ارزیابی­های آزمایشگاهی و تجربی عملکرد خوبی داشته است. ظاهر این عضله در حالت ریلکس محدب است که در حالت انقباض صاف می­شود. این حرکت با فرکانس بسیار کم و به طور مداوم انجام می­شود و تا پایان عمر بیمار ادامه دارد. ساختار مورد نظر ما برای برداشت انرژی از حرکات انقباض عضله دیافراگم طراحی شده است. ساختار مورد نظر از یک لایه مواد پیزوالکتریک و یک فنر سیلیکنی و یک بستر سیلیکونی تشکیل شده است. جابجایی فنر باعث می­شود لایه پیزوالکتریک تحت فشار قرار گیرد و همین امر باعث تولید انرژی می­شود.

2-‏1-‏       مدل­‌سازی عضله دیافراگم

ساختار کلی عضله دیافراگم محدب است که در هنگام انقباض به سمت پایین و صاف می­شود. برای به دست آوردن نتایج دقیق­تر و ایجاد شرایط مرزی صحیح­تر، نواحی متصل به قفسه سینه ثابت و در شکل (1) به رنگ آبی در نظر شده است. در این شکل، ساختار کلی عضله دیافراگم و نواحی که در سه جهت به قفسه سینه ثابت شده­اند را نشان داده شده است. نوع ماده این عضله، هایپرالاستیک در نظر گرفته شده­است و مشخصات آن در جدول (1) بیان شده است.

 

 

(الف)

 

(ب)

 

(ج)

شکل (1): شرایط مرزی عضله دیافراگم پیشنهادی، (الف): نمای ZX، (ب): نمای YX، و (ج): نمای ZY.

جدول (1): خواص مکانیکی عضله دیافراگم پیشنهادی

مشخصات	مقدار
نوع	هایپرالاستیک
چگالی	1090 Kg/m³
Lamé parameter λ	1.79e5 N/m²
Lamé parameter μ	7.14e5 N/m²
عرض دیافراگم	450 mm
طول دیافراگم	350 mm
ارتفاع دیافراگم	150 mm
ضخامت دیافراگم	90 mm

جدول (2): ویژگی­های نیرو.

مشخصات	مقدار
دامنه	40000 N/m²
جهت	Z محور
فرکانس	0.3Hz
نوع	سینوسی

 

 

شکل (2): قرارگیری ساختار پیشنهادی

 

(الف)

 

(ب)

شکل (3):  (الف) استرس عضلانی دیافراگم. (ب) مقدار استرس

برای شبیه­سازی حرکت این عضله از اعمال نیروی سینوسی استفاده شده است که مشخصا به فرکانس تنفس نزدیک است. تنفس طبیعی یک فرد بالغ حدود 20-12 بار در دقیقه است. اندازه دامنه در نظر گرفته شده از معادلات زیر به دست می آید [16].

                                                                             (1)

                                                                               (2)

دامنه نیرو با استفاده از (3) محاسبه می­شود.

                                                            (3)

شدت انقباض با  و ضخامت عضله با  و سطح مقطع و دور قفسه سینه به ترتیب با (A) و (C) بیان می­شود. لازم به ذکر است که اندازه­گیری دقیق این پارامترها امکان­پذیر نیست و برای افراد با شرایط مختلف متفاوت است. به همین دلیل است که از مقادیر بزرگ تری استفاده شده است. جزئیات مشخصات نیروی اعمال شده در جدول )2( نشان داده شده است.

2-‏2-‏       ساختار پیشنهادی برداشت­گر پیزوالکتریک 

برای تبدیل انرژی مکانیکی در عضله دیافراگم باید از ساختاری استفاده کرد که به راحتی بتواند این انرژی را تبدیل کند. برای این منظور از فنر سیلیکونی پلی­کریستال و لایه­ای از مواد پیزوالکتریک در سازه پیشنهادی استفاده شده است. ماده پیزوالکتریک استفاده شده در این سازه PZT-8 است که همانطور که قبلاً اشاره شد برای حرکات با فرکانس پایین بسیار مناسب است.

2-‏3-‏       محل قرارگیری ساختار پیشنهادی

برای تبدیل هرچه بهتر انرژی مکانیکی حاصل از حرکت عمودی دیافراگم و تحریک بیشتر لایه پیزوالکتریک، فنری به قسمت پایینی عضله وصل شده و با جابجایی آن لایه پیزوالکتریک نیز فشرده و جابجا می­شود. به همین منظور لایه های پیزوالکتریک را ثابت در نظر گرفته می­شود. شکل (2) نحوه قرارگیری ساختار پیشنهادی برداشت­کننده انرژی را نشان می­دهد.

3-       نتایج

به منظور بررسی دقیق­تر و نتایج قابل اعتمادتر، شبیه­سازی در 100 بازه زمانی انجام شده­است. اولین نتیجه­ای که بررسی شده است ارزیابی توزیع و میزان تنش روی عضله دیافراگم است که به ترتیب در شکل (3: الف-ب) نشان داده شده است. در واقع نمودار اول میزان تنش را در تمام نقاط عضله دیافراگم نشان می­دهد. توزیع تنش مورد دیگری که مورد بررسی قرار گرفته است جابجایی لایه پیزوالکتریک است که در شکل (4-الف) نشان داده شده است. شکل (4-ب) نیز میزان تنش روی لایه پیزوالکتریک را نشان می­دهد. همانطور که قبلا ذکر شد، ساختار طراحی شده با تحریک و اعمال نیرو بر روی لایه پیزوالکتریک، ولتاژ تولید می­کند.

شکل )5-الف) نشان می­دهد که ساختار پیشنهادی می­تواند حدود 1.5 ولت در سیکل مثبت و 2.5 ولت در چرخه منفی تولید کند. در شکل )5-ب) توزیع انرژی الکتریکی روی لایه پیزوالکتریک را می­بینیم. لازم به ذکر است تمامی نتایج با استفاده از نرم افزار COMSOL Multiphysics و رعایت حداکثر شرایط مرزی به دست آمده است. برای طراحی دستگاه برداشت انرژی، از مواد پیزوالکتریک PZT-8 و برای لایه­های زیرین و فنر، از سیلیکون استفاده شده که ممکن است برای سلامت اندام­های داخلی بدن خطرناک باشد، بنابراین باید سازه را با مواد زیستی، مواد سازگار مانند PVDF⁴پوشاند. برای درک بهتر از میزان انرژی برداشت شده توسط این برداشتگر جدول (3) ارائه شده است. در واقع این جدول مقایسه روش­هایی است که برای برداشت انرژی الکتریکی از اندام­های داخلی استفاده شده است. این تفاوت­ها در میزان خروجی عموماً مربوط به مواد پیزوالکتریک و محل برداشتگر و ساختار کلی دستگاه برداشت انرژی است. تلاش­های زیادی در این راستا صورت گرفته که همگی برای تکمیل نیاز به آزمایش­های بالینی بسیار دقیق­تری دارند. اغلب آزمایشات و تحقیقات با هدف کمک به سلامت انسانی انجام شده است. در این مقاله سعی شد با رعایت حداکثری شرایط درون بدن انسان شبیه­سازی انجام شود تا بتوان تخمین نسبتاً دقیق از عملکرد این تجهیز درون بدن را ارائه کرد. فارغ از اینکه سایر طرح­هایی که برای برداشت انرژی پیشنهاد شده­اند اغلب دارای ساختار مکانیکی بسیار ساده­تر هستند ]22[، در این تحقیق با در نظر گرفتن یک ساختار متفاوت سعی بر این بوده است که بیشترین برداشت انرژی از حرکت انقباضی ماهیچه حاصل شود.

4-       نتیجه­گیری

دستگاه­های قابل جای­گذاری در بدن کمک فراوانی به بهبود سلامتی بیماران کرده­اند و روز به روز اهمیت و کاربرد بیشتری پیدا می­کنند. با توجه به نیاز تجهیزات قابل کاشت به منبع انرژی، در این مقاله روش جدیدی برای برداشت انرژی از حرکت انقباضی عضله دیافراگم ارائه شده است. ساختار مکانیکی پیشنهادی انرژی حاصل از حرکت دیافراگم را از طریق فنر سیلیکونی به لایه پیزوالکتریک منتقل می­کند. ساختار پیشنهادی ما توانایی دارد که تا در سیکل مثبت حدودا یک ولت و در سیکل منفی نیز در حدود 5/2 ولت انرژی پتانسیل الکتریکی تولید کند،میزان جا به جایی لایه پیزوالکتریک حاصل از تحریک توسط فنر0.2 میلی متر بوده است.

جدول (3):  مقایسه روش­های برداشت انرژی

Structure type	Harvester material	Harvesting source	Max voltage (V)
Helical [4]	Pvdf-Trfe	The ventricle of the human heart	0.4 volts
Nanofiber [18]	Pvdf-Trfe	SD rat	0.006 volts
Multilayer [19]	PZT	Bovine heart	4 volts
Nano wire [17]	Zno	Rat heart	0.1 volts
Single crystal [20]	Pb	Porcine heart	3.8 volts
Hydrogels [21]	PAN-PVDF	vocal cord vibration	0.2 m volts
One­layer-spring(Proposed structure)	PZT-8	Human Diaphragm muscle	2.5 volts

 

(الف)

 

(ب)

شکل (4): لایه پیزوالکتریک الف)جا به­جای ب)تنش

 

(الف)

 

(ب)

شکل (5): پتانسیل الکتریکی. الف) کمیت پتانسیل الکتریکی ب) توزیع پتانسیل الکتریکی

مراجع

[1]       L. Huang et al., “Fiber‐Based Energy Conversion Devices for Human‐Body Energy Harvesting,” Advanced Materials, vol. 32, no. 5, p. 1902034, Jun. 2019, doi: https://doi.org/10.1002/adma.201902034.

[2]       N. Wu, B. Bao, and Q. Wang, “Review on engineering structural designs for efficient piezoelectric energy harvesting to obtain high power output,” Engineering Structures, vol. 235, p. 112068, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112068.

[3]       ‌C. B. Williams and R. B. Yates, “Analysis of a micro-electric generator for microsystems,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 52, no. 1–3, pp. 8–11, Mar. 1996, doi: https://doi.org/10.1016/0924-4247(96)80118-x.

[4]       S. Mohammadi, K. Cheraghi, and A. Khodayari, “Piezoelectric vibration energy harvesting using strain energy method,” Engineering Research Express, vol. 1, no. 1, p. 015033, Sep. 2019, doi: https://doi.org/10.1088/2631-8695/ab3f0c.

[5]       E. M. Qureshi, X. Shen, and J. Chen, “Vibration control laws via shunted piezoelectric transducers: A review,” International Journal of Aeronautical and Space Sciences, vol. 15, no. 1, pp. 1–19, Mar. 2014, doi: https://doi.org/10.5139/ijass.2014.15.1.1.

[6]       ‌C. Dagdeviren et al., “Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm,” Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 111, no. 5, pp. 1927–1932, Jan. 2014, doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1317233111.

[7]       H. Lee, S. Sherrit, L. Tosi, P. Walkemeyer, and T. Colonius, “Piezoelectric Energy Harvesting in Internal Fluid Flow,” Sensors, vol. 15, no. 10, pp. 26039–26062, Oct. 2015, doi: https://doi.org/10.3390/s151026039.

[8]       C. Lu, V. Raghunathan, and K. Roy, “Efficient Design of Micro-Scale Energy Harvesting Systems,” IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems, vol. 1, no. 3, pp. 254–266, Sep. 2011, doi: https://doi.org/10.1109/jetcas.2011.2162161.

[9]       Y. Liu et al., “Piezoelectric energy harvesting for self‐powered wearable upper limb applications,” Nano Select, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1002/nano.202000242.

[10]       J. Tian et al., “Self-powered implantable electrical stimulator for osteoblasts’ proliferation and differentiation,” Nano Energy, vol. 59, pp. 705–714, May 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.073.

[11]       ‌N. Sezer and M. Koç, “A comprehensive review on the state-of-the-art of piezoelectric energy harvesting,” Nano Energy, vol. 80, no. 105567, p. 105567, Feb. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105567.

[12]       ‌N. Wu, B. Bao, and Q. Wang, “Review on engineering structural designs for efficient piezoelectric energy harvesting to obtain high power output,” Engineering Structures, vol. 235, p. 112068, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.112068.

[13]       H. Liang, G. Hao, and O. Z. Olszewski, “A review on vibration-based piezoelectric energy harvesting from the aspect of compliant mechanisms,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 331, p. 112743, Nov. 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112743.

[14]       K. A. Cook-Chennault, N. Thambi, and A. M. Sastry, “Powering MEMS portable devices—a review of non-regenerative and regenerative power supply systems with special emphasis on piezoelectric energy harvesting systems,” Smart Materials and Structures, vol. 17, no. 4, p. 043001, Jun. 2008, doi: https://doi.org/10.1088/0964-1726/17/4/043001.

[15]       Y. Zou, L. Bo, and Z. Li, “Recent progress in human body energy harvesting for smart bioelectronic system,” Fundamental Research, vol. 1, no. 3, pp. 364–382, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.05.002.

[16]       A. Wang et al., “Piezoelectric nanofibrous scaffolds as in vivo energy harvesters for modifying fibroblast alignment and proliferation in wound healing,” Nano Energy, vol. 43, pp. 63–71, Jan. 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.11.023.

[17]       J. G. Wen et al., “Melamine Related Bilateral Renal Calculi in 50 Children: Single Center Experience in Clinical Diagnosis and Treatment,” Journal of Urology, vol. 183, no. 4, pp. 1533–1538, Apr. 2010, doi: https://doi.org/10.1016/j.juro.2009.12.040.

[18]       C.-S. Kim, S.-K. Kim, and S. Y. Lee, “Piezoelectric properties of new PZT–PMWSN ceramic,” Materials Letters, vol. 57, no. 15, pp. 2233–2237, Apr. 2003, doi: https://doi.org/10.1016/s0167-577x(02)01201-6.

[19]       T. Adam and U. Hashim, “COMSOL Multiphysics Simulation in Biomedical Engineering,” Advanced Materials Research, vol. 832, pp. 511–516, Nov. 2013, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.832.511.

[20]       J. Chen et al., “Novel pyroelectric single crystals PIN-PMN-PT and their applications for NDIR gas detectors,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 63, no. 1, pp. 01SP20–01SP20, Dec. 2023, doi: https://doi.org/10.35848/1347-4065/acfcc4.

[21]       B Upendra, B Panigrahi, K. Singh, and GR Sabareesh, “Recent advancements in piezoelectric energy harvesting for implantable medical devices,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 35, no. 2, pp. 129–155, Oct. 2023, doi: https://doi.org/10.1177/1045389x231200144.

[22]       Nabiollah Shiri, Hadi Veladi, and Hanieh NiroomOscuii, “A New Rotational Stepwise Mechanical Energy Harvester for Biomedical Implants,” Sensors and materials, vol. 30, no. 6, pp. 1319–1319, Jun. 2018, doi: https://doi.org/10.18494/sam.2018.1740.

 

---

[1] 1 biocompatible

[2] 2 triboelectric  

[3]  Leads

[4]  Polyvinylidene fluoride

 

---