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Bougez votre mâchoire pour recharger vos prothèses auditives! - Par : Aidin Delnavaz, Jérémie Voix,

Bougez votre mâchoire pour recharger vos prothèses auditives!


Aidin Delnavaz
Aidin Delnavaz est un chercheur postdoctoral à l’ÉTS. Il fait des recherches sur les technologies de micrograpillage d’énergie pour les prothèses auditives à la chaire de recherche CRITIAS.
Programme : Génie mécanique 

Jérémie Voix
Jérémie Voix est professeur au Département de génie mécanique de l'ÉTS et titulaire de la Chaire CRITIAS. Ses recherches portent sur le contrôle du bruit, la protection auditive, la mécatronique et le traitement du signal et des données.

  • Image d’entête courtoisie de Ervin Stuber, source.
Un “Research Paper Introduction” est un billet présentant une introduction d’un article de recherche ou d’un brevet réalisé par des chercheurs de l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal, Québec, Canada.
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Toutes les semaines, des centaines de millions d’utilisateurs partout dans le monde doivent remplacer les piles boutons de leurs prothèses auditives. Ces changements de piles constituent malheureusement une source de déchets, une dépense importante et une perte de temps en plus de nécessiter une bonne dextérité. Et si les prothèses auditives étaient autonomes ?

L’intérêt envers les technologies de micrograpillage énergétique (energy harvesting technologies) comme solution de rechange aux piles augmente de plus en plus. Les capteurs d’énergie capables de récupérer de petites quantités d’énergie à l’aide de sources externes comme l’énergie solaire, l’énergie thermique et l’énergie du corps humain suffisent habituellement à alimenter les dispositifs portables à faible puissance. En effet, les prothèses auditives sont parmi les appareils médicaux ayant été modifiés de façon considérable durant les dernières années ; elles sont de moins en moins énergivores.

Source [Img1]

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Les applications de micrograpillage énergétique pourraient donc se coupler à ces appareils de même qu’à d’autres types d’appareils intra-auriculaires tels que les protecteurs auditifs électroniques et les oreillettes de communication.

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Ce projet de recherche qui pourrait permettre de remplacer les piles des appareils auditifs par les technologies de récupération d’énergie est important pour Dr Aïdin Delnavaz, un chercheur postdoctoral travaillant sur ce projet. Ce projet lui rappelle sa grand-mère qui souffre de perte auditive et ne peux pas se passer de ses appareils auditifs. « Elle se plaint toujours de ses appareils auditifs à cause des batteries parce qu’il faut les changer ou les recharger régulièrement. Parfois, ces aides auditives  tombent en panne lors de fêtes, soirées en famille ou pendant une conversation téléphonique » explique Dr Delnavaz. Ce projet est pour lui vraiment intéressant et tellement utile pour les utilisateurs d’appareils auditifs. L’idée du projet est de remplacer les batteries par une source d’énergie qui ne s’épuise jamais et qui rend ces appareils autoalimentés.

Les technologies de micrograpillage d’énergie pour les prothèses auditives

Les chercheurs ont commencé à explorer différentes sources d’énergie. Puisque les prothèses auditives sont portées dans l’oreille, deux sources potentielles d’énergie peuvent être exploitées : l’utilisateur lui-même ou son environnement. Plusieurs idées novatrices ont été proposées récemment pour alimenter les prothèses auditives à l’aide de la micrograpillage énergétique. Certaines de ces idées brevetées sont présentées plus bas. La lumière, la chaleur du corps, les ondes électromagnétiques, les vibrations de la voix et les ondes radio sont toutes des sources d’énergie qui ont déjà été proposées pour cette application.

Deux vues d’un chargeur solaire pour des prothèses auditives équipées de piles rechargeables. [1]

Deux vues d’un chargeur solaire pour des prothèses auditives équipées de piles rechargeables. [1]

Deux prototypes de prothèses auditives équipées de surfaces photosensibles pour la micrograpillage d’énergie lumineuse, alimentées par énergie solaire [2].

Deux prototypes de prothèses auditives équipées de surfaces photosensibles pour la micrograpillage d’énergie lumineuse, alimentées par énergie solaire [2].

Pile thermoélectrique munie d’un adhésif à coller autour du cou pour récupérer l’énergie thermique du corps et alimenter des appareils auditifs. [3]

Pile thermoélectrique munie d’un adhésif à coller autour du cou pour récupérer l’énergie thermique du corps et alimenter des appareils auditifs. [3]

Magnétomètre et systèmes microélectromécaniques (MEMS) en flexion couplés à un transducteur électroacoustique pour la micrograpillage d’énergie magnétique et vibratoire afin d’alimenter un appareil auditif. [4]

Magnétomètre et systèmes microélectromécaniques (MEMS) en flexion couplés à un transducteur électroacoustique pour la micrograpillage d’énergie magnétique et vibratoire afin d’alimenter un appareil auditif. [4]

Deux prototypes de prothèses auditives utilisant des antennes pour la micrograpillage d’énergie d’ondes radio. [5]

Deux prototypes de prothèses auditives utilisant des antennes pour la micrograpillage d’énergie d’ondes radio. [5]

Chargeur solaire pour les prothèses auditives

Parmi les technologies brevetées, le chargeur solaire est le seul produit offert sur le marché. Ce système est composé d’un chargeur équipé de panneaux photovoltaïques pour recharger les piles des prothèses auditives. Il est très utile aux personnes vivant dans des régions où l’électricité est coûteuse ou d’accès difficile.

Bien que le chargeur solaire soit une amélioration, la capacité de puissance de ses piles est encore limitée. De plus, ce système dépend d’un chargeur, ce qui est encombrant et peu pratique. On peut supposer que certains désavantages liés aux inventions mentionnées précédemment, placent celles-ci en position défavorable. Par exemple, ajouter des surfaces photosensibles directement sur la coquille de prothèses auditives nécessite de les exposer davantage à la lumière du jour afin que les cellules photoélectriques produisent le courant nécessaire, donc les appareils ressortent davantage du conduit auditif. En pratique, cette contrainte ne correspond pas au souhait, exprimé fréquemment par les usagers, que les appareils soient dissimulés complètement dans les conduits auditifs (CIC). Cette contrainte réduit l’exposition au soleil des cellules photoélectriques à tel point qu’elle dissuade l’utilisation de l’énergie solaire pour alimenter les prothèses auditives. L’inconvénient majeur du système thermoélectrique est qu’il est limité par les températures extérieures : son efficacité descend de façon draconienne lorsque la température augmente. Pour ce qui en est de la micrograpillage d’énergie des radiations présentes dans l’environnement comme l’énergie électromagnétique ou l’énergie infrarouge, elle est tributaire de la quantité d’énergie récupérable dans une région donnée, ce qui en limite l’utilisation à certaines zones.

Mouvement du joint de la mâchoire et déformation du conduit auditif. Source [Img2]

Mouvement du joint de la mâchoire et déformation du conduit auditif. Source [Img2]

Mouvement dynamique du conduit auditif

Le conduit auditif est un environnement dynamique. En effet, ouvrir la bouche crée un mouvement qui fait contracter les muscles faciaux et qui tire la mandibule vers le bas. L’articulation temporo-mandibulaire (ATM) étant située très près du conduit auditif, son mouvement provoque un changement de forme des tissus mous de la paroi du conduit auditif. Chacun des cycles d’ouverture et de fermeture de la bouche entraîne un changement de forme du canal auditif, puis un retour à sa forme originelle. Ce cycle survient des milliers de fois durant une journée, lorsque nous mâchons, mangeons et parlons, ce qui rend possible son utilisation comme source d’énergie pour les prothèses auditives. L’amplitude du changement de forme du conduit auditif varie d’un individu à l’autre. Nous avons pu la mesurer en comparant des images 3D d’empreintes d’oreilles prises aux deux positions extrêmes du mouvement de la mâchoire, ouverte et fermée. La vidéo suivante montre les images 3D superposées des empreintes obtenues pour un conduit typique, la mâchoire ouverte et la mâchoire fermée.

Représentation visuelle d’empreintes d’oreille avec la mâchoire ouverte (vert) et la mâchoire fermée (orange).

Un montage expérimental a ensuite été créé afin de mesurer la capacité énergétique du mouvement du conduit auditif et d’évaluer la possibilité de l’utiliser pour alimenter des prothèses auditives. La puissance instantanée de même que l’énergie totale produite par le mouvement dynamique du conduit auditif lors de la mastication d’un hamburger de grosseur moyenne sont présentées plus bas, pour les oreilles droite et gauche. Les mouvements dynamiques du conduit auditif fournissent une quantité d’énergie estimée à environ 7 mJ par jour. Cette quantité d’énergie est suffisante pour alimenter des prothèses auditives de 1 mW pendant plus de deux heures.

Puissance instantanée et énergie totale produites par la mastication d’un hamburger. Source [Img2]

Puissance instantanée et énergie totale produites par la mastication d’un hamburger. Source [Img2]

Grapillage énergétique

L’objectif de notre invention est de produire une technologie intra-auriculaire pour la micrograpillage énergétique des mouvements dynamiques du conduit auditif afin d’alimenter les circuits électroniques de prothèses auditives. L’appareil auditif qui serait ainsi alimenté doit s’insérer complètement dans le conduit auditif et épouser parfaitement la forme de sa paroi.

sonomax

Sonomax Inc., une entreprise québécoise spécialisée dans les technologies de protections auditives et le partenaire industriel de notre laboratoire à l’ÉTS, dispose heureusement d’une technologie brevetée de bouchons intra-auriculaires sur mesure fabriqués en cinq minutes seulement. L’un des avantages de notre invention est qu’elle combine un module de micrograpillage à un module auriculaire fabriqué sur mesure et qu’elle permet d’intégrer les composantes électroniques requises (par ex. un microphone, un processeur de signaux digital et un écouteur dans le cas d’une prothèse auditive) pour former un appareil auditif intra-auriculaire fabriqué sur mesure et à alimentation autonome. Un autre avantage réside dans sa facilité d’utilisation : aucune connexion n’est apparente (module intra-auriculaire), pas de piles à remplacer, appareil sans poids ajouté, etc. Le mécanisme du grapillage énergétique permet aussi d’alimenter les composantes électroniques à volonté, en bougeant la mandibule (mâcher de la gomme, manger un aliment solide, etc.).

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Un des prototypes de cette invention utilise comme module de micrograpillage énergétique un film piézoélectrique souple. Il est en forme de cylindre creux, et est conçu pour s’insérer à l’endroit désiré de l’appareil, entre le noyau rigide et la gaine. L’appareil est fait de caoutchouc de silicone de qualité médicale, matériau qui demeure en général souple après la pose et transmet les mouvements dynamiques de la paroi du conduit auditif au module de micrograpillage énergétique. Les électrodes du film sont connectées à l’unité de gestion de la puissance qui reçoit et emmagasine les charges produites et alimente les composantes électroniques selon la demande.

Micrograpillage énergétique sous forme de films piézoélectriques. Source [Img2]

Micrograpillage énergétique sous forme de films piézoélectriques. Source [Img2]

Nous vous invitons à entendre une entrevue donnée par le docteur Aidin Delnavaz pour une série intitulée «Doc/Postdoc» de l’émission radiophonique «Les années lumières» diffusée sur la chaîne «Ici Radio-Canada Première», le dimanche 25 mai 2014 : document audio

docpostdoc

Pour plus de renseignements au sujet des changements de forme des canaux auditifs et de leurs variations, nous vous invitons à lire notre article publié dans le «Journal of Applied Physics»:
A. Delnavaz and J. Voix, “Ear canal dynamic motion as a source of power for in-ear devices,” J. Appl. Phys., vol. 113, no. 6, p. 064701, 2013

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Pour plus de renseignements sur la mesure de capacité énergétique du mouvement dynamique du conduit auditif, nous vous invitons à lire notre article publié dans l’«IEEE Transactions on Industrial Electronics» :
logo espace150A. Delnavaz and J. Voix, “Energy Harvesting for In-Ear Devices Using Ear Canal Dynamic Motion,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 1, pp. 583–590, Jan. 2014.

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Pour plus de renseignements au sujet des grapillages énergétiques sous forme de films piézoélectrique et des résultats expérimentaux, logo espace150consulter notre article publié dans le «Journal of Micromechanics and Microengineering» :
A. Delnavaz and J. Voix, “Piezo-earpiece for micro-power generation from ear canal dynamic motion,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 23, no. 11, p. 114001, Nov. 2013.

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Pour plus de renseignements sur d’autres prototypes reliés à cette invention, consulter nos demandes de brevets :
A. Delnavaz and J. Voix, “Energy harvester device for in-ear devices using ear canal dynamic motion,” CA28140032013.

Nous vous invitons aussi à consulter le site Web de la «Chaire de recherche industrielle en technologies intra-auriculaire Sonomax-ÉTS» (CRITIAS) pour de plus amples informations sur nos travaux de recherche. Nous sommes à la recherche d’étudiants et de chercheurs pour des projets au baccalauréat, à la maîtrise et au doctorat. Nous avons aussi besoin de sujets pour des essais expérimentaux.

 

Aidin Delnavaz

Profil de l'auteur(e)

Aidin Delnavaz est un chercheur postdoctoral à l’ÉTS. Il fait des recherches sur les technologies de micrograpillage d’énergie pour les prothèses auditives à la chaire de recherche CRITIAS.

Programme : Génie mécanique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche CRSNG-EERS en technologies intra-auriculaires 

Profil de l'auteur(e)

Jérémie Voix

Profil de l'auteur(e)

Jérémie Voix est professeur au Département de génie mécanique de l'ÉTS et titulaire de la Chaire CRITIAS. Ses recherches portent sur le contrôle du bruit, la protection auditive, la mécatronique et le traitement du signal et des données.

Programme : Génie mécanique  Génie technologies de la santé 

Chaire de recherche : Chaire de recherche CRSNG-EERS en technologies intra-auriculaires 

Laboratoires de recherche : ÉREST – Équipe de recherche en sécurité du travail 

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