انتقال انرژی بی‌سیم با تکیه بر استفاده از امواج فراصوتی

نوع مقاله: مقاله علمی- ترویجی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان 83111-84156، ایران

2 هیات علمی/ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان 83111-84156، ایران

چکیده

انتقال انرژی آکوستیک روشی از انتقال انرژی بدون تماس است که در آن از امواج فراصوتی برای انتقال انرژی بی‌سیم استفاده می‌شود. از مزایای این روش نسبت به روش‌های مبتنی بر امواج الکترومغناطیسی به‌خصوص روش القاء مغناطیسی می‌توان به سه مورد اشاره کرد: برای زمانی‌ که فاصله‌ی بین گیرنده و فرستنده نسبت به ابعاد آنها بزرگ‌تر باشد مناسب است، محدوده‌ی فرکانسی استفاده شده پایین‌تر است و تلفات انتقال کمتر می‌باشد. تحقیقات انجام شده در این حوزه در دو بخش انتقال توان بالا و انتقال توان پایین تقسیم‌بندی شده است. در حوزه‌ی انتقال توان بالا، بخش عمده‌ی پژوهش‌ها به استفاده از محیط فلزی برای انتقال انرژی با توان بالا و انتقال داده با نرخ بالا متمرکز است. در حوزه‌ی انتقال توان پایین، بخش عمده‌ی پژوهش‌ها مربوط به تأمین توان مورد نیاز کاشتینه‌های[i] پزشکی است که داخل بدن موجودات زنده قرار می‌گیرد. در این مقاله به تحقیقات انجام شده در مورد سیستم‌های انتقال انرژی بی‌سیم مبتنی بر امواج آکوستیک با محوریت سیستم‌های انتقال توان پایین، کاربرد و روند تکمیل و توسعه‌ی آنها پرداخته شده است.



[i]. Implant

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] N. Tesla, “Apparatus for transmitting electrical energy,” Dec. 1 1914. US Patent 1,119,732.

[2] K. A. Fish, C. A. Rosen, and H. C. Rothenberg, “Electromechanical transducer,” Apr. 8 1958. US Patent 2,830,274.

[3] H. Matsuoka, “Space development, sps 2000, and economic growth: the need for macro engineering diplomacy,” Technology in Society, vol.23, no.4, 2001, pp.535–550,

[4] E. Waffenschmidt and T. Staring, “Limitation of inductive power transfer for consumer applications,” 13th European Conference on Power Electronics and Applications, 2009. EPE’09.IEEE, 2009, pp.1–10.

[5] M. Roes, M. Hendrix, and J. Duarte, “Contactless energy transfer through air by means of ultrasound,” IECON 2011-37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, IEEE, 2011, pp.1238–1243.

[6] R. H. Nansen, “Wireless power transmission: the key to solar power satellites,” IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol.11, no.1, 1996, pp.33–39.

[7] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljačić, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol.317, no.5834, 2007, pp.83–86.

[8] Vandevoorde, Glenn, and Robert Puers. "Wireless energy transfer for stand-alone systems: a comparison between low and high power applicability." Sensors and Actuators A: Physical vol.92, no.1, 2001, pp.305-311.

[9] Sample, Alanson P., David T. Meyer, and Joshua R. Smith. "Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer." IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, no.2, 2011, pp.544-554.

[10] M. G. Roes, J. L. Duarte, M. A. Hendrix, and E. A. Lomonova, “Acoustic energy transfer: A review,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.60, no.1, 2013, pp.242–248.

[11] O. Imoru, A. Jassal, H. Polinder, E. Nieuwkoop, J. Tsado, and A. A. Jimoh, “An inductive power transfer through metal object,” 1st International Confrence Future Energy Electronics Conference (IFEEC), 2013, IEEE, 2013, pp.246–251.

[12] T. Zaid, S. Saat, Y. Yusop, and N. Jamal, “Contactless energy transfer using acoustic approacha review,”International Conference on Computer, Communications, and Control Technology (I4CT), IEEE, 2014, pp.376–381.

[13] S. Shahab and A. Erturk, “Contactless ultrasonic energy transfer for wireless systems: acousticpiezoelectric structure interaction modeling and performance enhancement,” Smart Materialsand Structures, vol.23, no.12, 2014, pp.125032.

[14] G. V. Cochran, M. Johnson, M. Kadaba, F. Vosburgh, M. Ferguson-Pell, and V. Palmeiri, “Piezoelectric internal fixation devices: A new approach to electrical augmentation of osteogenesis,” Journal of Orthopedic Research, vol.3, no.4, 1985, pp.508–513.

[15] A. Denisov and E. Yeatman, “Ultrasonic vs. inductive power delivery for miniature biomedical implants,” International Conference onBody Sensor Networks (BSN), IEEE, 2010, pp.84–89.

[16] A. Denisov and E. Yeatman, “Stepwise microactuators powered by ultrasonic transfer,” Procedia Engineering, vol.25, pp.685–688.

[17] Slaughter, Mark S., and Timothy J. Myers. "Transcutaneous energy transmission for mechanical circulatory support systems: history, current status, and future prospects." Journal of Cardiac Surgery vol.25, no.4, 2010, pp.484-489.

[18] T. Maleki, N. Cao, S. H. Song, C. Kao, S.-C. Ko, and B. Ziaie, “An ultrasonically powered implantable micro-oxygen generator (imog),” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol.58, no.11, 2011, pp.3104–3111.

[19] S. Ozeri and D. Shmilovitz, “Ultrasonic transcutaneous energy transfer for powering implanted devices,” Ultrasonics, vol.50, no.6, 2010, pp.556–566.

[20] S. Ozeri, D. Shmilovitz, S. Singer, and C.-C. Wang, “Ultrasonic transcutaneous energy transfer using a continuous wave 650khz gaussian shaded transmitter,” Ultrasonics, vol.50, no.7, 2010, pp.666–674.

[21] S. Arra, J. Leskinen, J. Heikkila, and J. Vanhala, “Ultrasonic power and data link for wireless implantable applications,” 2nd International Symposium onWireless Pervasive Computing, ISWPC’07., IEEE, 2007.

[22] A. Sanni, A. Vilches, and C. Toumazou, “Inductive and ultrasonic multi-tier interface for lowpower, deeply implantable medical devices,” Ieee Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol.6, no.4, 2012, pp.297–308.

[23] S. Q. Lee, W. Youm, G. Hwang, K. S. Moon, and Y. Ozturk, “Resonant ultrasonic wireless power transmission for bio-implants,” International Society for Optics and Photonicsin SPIE Smart Structures and Materials-Nondestructive Evaluation and Health Monitoring, 2014, pp.90570J–90570J.

[24] S. Q. Lee, W. Youm, and G. Hwang, “Biocompatible wireless power transferring based on ultrasonic resonance devices,” Proceedings of Meetings on Acoustics ICA2013, vol.19, 2013, pp.030030, ASA.

[25] A. A. Denisov and E. M. Yeatman, “Battery-less microdevices for body sensor/actuator networks,” IEEE International Conference on Body Sensor Networks (BSN), IEEE 2013 , pp.1–5.

[26] A. Denisov and E. M. Yeatman, “Micromechanical actuators driven by ultrasonic power transfer,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol.23, no.3, 2014, pp.750–759.

[27] S. Ozeri, D. Shmilovitz, S. Singer, and C.-C. Wang, “Ultrasonic transcutaneous energy transfer using a continuous wave 650khz gaussian shaded transmitter,” Ultrasonics, vol.50, no.7, 2010, pp.666–674.

[28] S. Ozeri and D. Shmilovitz, “Ultrasonic transcutaneous energy transfer for powering implanted devices,” Ultrasonics, vol.50, no.6, 2010, pp.556–566.

[29] S. Shahab, M. Gray, and A. Erturk, “Ultrasonic power transfer from a spherical acoustic wave source to a free-free piezoelectric receiver: Modeling and experiment,” Journal of Applied Physics, vol.117, no.10, 2015, pp.104903.

[30] X. Bao, B. J. Doty, S. Sherrit, M. Badescu, Y. Bar-Cohen, J. Aldrich, and Z. Chang, “Wireless piezoelectric acoustic-electric power feedthru,” The 14th International Symposium On: Smart Structures and Materials & Nondestructive Evaluation and Health Monitoring, pp.652940– 652940, International Society for Optics and Photonics, 2007.

[31] S. Sherrit, X. Bao, M. Badescu, J. Aldrich, Y. Bar-Cohen, W. Biederman, and Z. Chang, “1 kw power transmission using wireless acoustic-electric feedthrough (waef),” Earth & Space 2008: Engineering, Science, Construction, and Operations in Challenging Environments, 2008, pp.1–10.

 [32] T. Lawry, G. Saulnier, J. Ashdown, K. Wilt, H. Scarton, S. Pascarelle, and J. Pinezich,

“Penetration-free system for transmission of data and power through solid metal barriers,” Military Communications Conference, 2011-Milcom 2011, IEEE, 2011, pp.389–395.