Ультразвуковая коммуникационная сеть для бионических имплантатов

Радиоволны плохо приспособлены для работы в условиях водного окружения – такого, как океан или организм человека.

Относительно большое количество энергии требуется для распространения радиочастотных сигналов, поскольку они, по существу, поглощаются в широком спектре частот.

Для имплантатов, в районе нахождения радиопередатчика будет генерироваться значительное количество тепла и аккумуляторы будут быстро опустошены.

Имплантаты, которым требуется осуществлять связь между собой внутри организма, сталкиваются с теми же проблемами, что и подводные лодки, которые для общения между собой и для обнаружения противника используют сонар.

Решением проблемы для имплантатов является использование протокола на основе звука – ультрасонарную сеть внутри организма.

Томмазо Мелодиа (Tommaso Melodia), исследователь из Университета Баффало, недавно получил грант от Национального Научного Фонда США в размере полумиллиона долларов на разработку подобной сети. Основная часть базовой работы будет заключаться в проведении подробных симуляций распространения ультразвука внутри различных тканей.



Хотя врачи давно используют ультразвук для диагностики, источники энергии при этом находятся за пределами организма. Когда требуются внутренние источники энергии для отображения органов, датчик может быть изолирован внутри зонда в пищеводе или внутри кончика катетера в сосудистой сети. Окружающая кровь теоретически может помочь рассеивать генерируемое тепло. Как только вопросы безопасности ультрасонарной коммуникационной сети будут проработаны, можно будет заняться проблемами разработки протоколов передачи данных, которые будут подходить для специфики акустического окружения.

Было бы удобно, если каждое устройство, имплантируемое в организм, могло бы просто получать ip-адрес и обладать доступом в локальную сеть. В конечном счёте, разработки могут прийти именно к этому, но первые прототипы наверняка будут использовать намного более простые протоколы. Например, если имплантированные инсулиновые помпы должны получить от датчиков данные об уровнях глюкозы в нескольких местах (например, от больной сетчатки), односторонней связи будет вполне достаточно.



Если же диабет уже привёл к установке имплантата зрения, бионической сетчатки Alpha IMS, то места для ещё одного «аппарата» уже не остаётся. Тогда было бы уместно, если бы бионическая сетчатка включала в себя датчик глюкозы, поддерживающий единый с остальными имплантатами протокол обмена данными.

Как же может выглядеть ультрасонарный язык?

Существует много путей генерации звука, но для этого в любом случае требуется энергия. Существа, такие как летучие мыши или дельфины, в процессе эволюции научились виртуозному обращению со звуком. В шумном окружении пещеры или подводного мира разница между зрительными и звуковыми импульсами нивелируется.

Для ультрасонарных имплантатов главной задачей является коммуникация друг с другом, хотя вывод с них изображения в будущем тоже может оказаться реальностью. Дельфины для поиска добычи используют резонанс от её плавательного пузыря- так же и имплантаты с выводом изображения смогут использовать особенности окружения. Сигнальные устройства могут помещаться в критические точки цепи циркуляции, растворяя заторы тромбоцитов, угрожающих сформировать сгусток, или сжигая раковые клетки лучами направленной энергии.

Общающиеся между собой птицы умеют отличать представителей своего вида от многочисленных других видов в кажущемся на первый взгляд хаосе звуков. Звук не похож на радио, где существует много мегагерцовых каналов. Для практических целей существует только один канал – низкочастотный. Для имплантатов нижнее значение полосы частот должно будет превышать 20 кГц. Ниже этого значения уже начнётся наложение со звуковой системой. Хотя напрямую и не слышимые на такой частоте, наружные волосковые клетки в улитке внутреннего уха генерируют колебания на частоте выше 20 кГц.

Решением для птиц и множества других существ является быстрая передача через всю полосу частот короткого «чирикающего» импульса. Эти звуки отлично подходят для акустического поиска и могут оказаться идеальными во многих обстоятельствах для общения, поскольку можно научить распознавать их как приёмники, так и передатчики.

Несомненно, вскоре возникнет множество предлагаемых решений проблем, стоящих перед ультрасонарной коммуникацией. Пьезогенераторы, которые также могут функционировать как приемники, и даже преобразователи энергии, могут быть одной из перспективных технологий в этом направлении.

Другие направления, не столь очевидные с первого взгляда, могут вскоре последовать за ней.