Desarrollo de sistemas de transmisión inalámbrica de potencia miniaturizados para actuadores electromecánicos en aplicaciones médicas e industriales

Resumen

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.