Development of scalable wearable electric stimulator based on body-mediated energy harvesting
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- Graduate School, Yonsei University : Department of Chemical and Biomolecular Engineering 2023.2
발행연도
2023
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
스케일업 가능한 인체 매개 에너지 하베스팅 기반 웨어러블 전기자극기 개발
형태사항
x, 54장 : 천연색삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Jinkee Hong
UCI식별코드
I804:11046-000000544776
소장기관
웨어러블 기술의 발전에도 불구하고 반복적인 충전, 교체, 무게, 배터리의 불편함 등의 문제는 기술의 상용성을 제한하고 있다. 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 버려지는 에너지 손실을 사용 가능한 전기 에너지로 변환할 수 있는 방법으로, 기기에 지속 가능한 전력을 공급하거나 그 자체로 자가 전력 전자기기가 됨으로써 해결책을 제공할 수 있다. 그 중 인체를 에너지 및 신호를 전달하는 매개체로 활용하는 방법은 에너지 수확을 위한 환경적 제약 또는 부수적인 장치를 최소화할 수 있어 웨어러블 분야에 적용되기에 유리하다.
본 연구에서는 실생활에서 발생하는 저주파 에너지 손실을 인체를 통해 사용 가능한 에너지로 전환함과 동시에, 체내에 전기자극을 발생시켜 긍정적인 생리학적 효과를 이끌어낼 수 있는 인체 매개 에너지 하베스팅을 제시한다. 우리는 인체 매개 에너지하베스팅의 일련의 메커니즘을 정립하고, 실용적인 웨어러블 기기의 디자인 방법 및 제조 가이드라인을 개발하였다. 이를 기반으로 총 11가지 타입의 웨어러블 제품을 스케일러블 공정을 도입함으로써 개발하였다. 또한 임상 프로토콜을 통해 인체 매개 에너지하베스팅이 생물학적 조직에 국소적으로 전기장을 집중시키며 근육 피로(6.4%, P-값 = 0.020)를 감소시킨다는 것을 보였다. 이러한 전기장의 파형(AC, DC)과 강도(~3000mV/mm)는 목적(유용성, 에너지 강도)에 따라 별도의 배터리나 전선을 사용하지 않고 여러 변수(접지 방식, 외부 저항, 충전 캐패시터)를 제어함으로써 조절할 수 있다. 게다가, 수확된 에너지는 소형 전자기기들을 반영구적으로 작동시키는 데 사용될 수 있다. 본 연구에서는 새로운 에너지하베스팅 기법인 인체 매개 에너지하베스팅의 기술 개발에 그치지 않고, 상용화 가능한 제품 개발 및 임상 활용 가능성까지 확인하였다는 데에 의의를 갖는다. 이러한 결과는 인체 매개 에너지 하베스팅이 웨어러블 기술에 전력을 공급할 뿐 아니라, 비침습적인 치료법으로써 에너지를 수확함과 동시에 생체 조직을 자극할 수 있는 유망한 해결책임을 나타낸다.
Despite the development of wearable technology, problems such as repeated charging, replacement, weight, and inconvenience for batteries limit the compatibility of the technology. Energy harvesting is a method that can convert wasted energy loss into usable electrical energy and can provide a solution by providing sustainable power to the device or by itself being a self-powered electronic device. Among them, a method of using the human body as a medium for transmitting energy and signals is advantageous for application in wearable technology as it can minimize restrictions on the environment or incidental devices for energy harvesting.
This study presents body-mediated energy harvesting that can convert low-frequency energy loss into usable energy through the body while generating electrical stimulation in body, leading to positive physiological effect. We establish a series of mechanisms for body-mediated energy harvesting and develop design methods and manufacturing guidelines for practical wearable devices. Based on this, a total of 11 types of wearable products were developed by introducing a scalable process. We also demonstrate through clinical protocols that body-mediated energy harvesting concentrates local electric fields in biological tissues, which reduces muscle fatigue (6.4 %, P-value = 0.020). The waveform (AC and DC) and intensity (~3000 mV/mm) of these electric fields can be adjusted by controlling several variables (grounding method, external resistance, charging capacitor) depending on the purpose (usefulness, energy strength) without using any additional battery or wiring. Moreover, the harvested energy can be used to operate small electronic devices semi-permanently. This study is significant in that it not only developed a new energy harvesting technique, a body-mediated energy harvesting technique, but also confirmed the possibility of commercial product development and clinical utilization. These findings indicate that body-mediated energy harvesting is a promising solution for powering wearable technologies and as a non-invasive treatment for harvesting energy and stimulating biological tissues simultaneously.
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