超聲波為水下儀器和人體植入設(shè)備充電

隨著人口老齡化和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，使用人工心臟起搏器和除顫器等植入式電子設(shè)備的患者數(shù)量在全球范圍內(nèi)不斷增加。韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）宣布，由電子材料研究中心宋憲哲博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可應(yīng)用于人體植入物的超聲波無線能量傳輸充電技術(shù)，該技術(shù)也可為監(jiān)測(cè)海底電纜狀況的傳感器等水下儀器的電池充電。相關(guān)研究近日發(fā)表在《能源和環(huán)境科學(xué)》雜志上。

電磁感應(yīng)和磁共振可用于無線能量傳輸。電磁感應(yīng)目前用于智能手機(jī)和無線耳機(jī)。但其使用的限制是電磁波不能穿過水或金屬，導(dǎo)致充電距離短。此外，由于充電過程中產(chǎn)生的熱量是有害的，因此這種方法不能輕易地用于為植入式醫(yī)療裝置充電。磁共振法要求磁場(chǎng)發(fā)生器和發(fā)射裝置的共振頻率完全相同，存在干擾其他無線通信頻率（如Wi-Fi和藍(lán)牙）的風(fēng)險(xiǎn)。

KIST團(tuán)隊(duì)采用超聲波而不是電磁波或磁場(chǎng)作為能量傳輸介質(zhì)。使用超聲波的聲吶通常用于水下環(huán)境，在器官或胎兒狀況診斷等各種醫(yī)療應(yīng)用中，超聲波在人體中的安全性已得到驗(yàn)證。然而，現(xiàn)有的聲能傳輸方法由于聲能傳輸效率低，不易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

研究小組開發(fā)了一種模型，該模型使用摩擦電原理接收超聲波并將其轉(zhuǎn)換為電能，該原理可有效地將微小的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。通過在摩擦發(fā)電機(jī)中添加鐵電材料，超聲波能量傳遞效率從不到1%顯著提高到4%以上。其可在6厘米的距離處充電超過8毫瓦的功率，這足以同時(shí)操作200個(gè)LED或在水下傳輸藍(lán)牙傳感器數(shù)據(jù)。新開發(fā)的裝置具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率并產(chǎn)生少量熱量。

使用超聲波探頭為人體植入電子設(shè)備無線充電的示意圖。圖片來源：韓國科學(xué)技術(shù)研究院

宋博士說：“這項(xiàng)研究表明，電子設(shè)備可通過超聲波以無線充電方式來驅(qū)動(dòng)。如果未來設(shè)備的穩(wěn)定性和效率進(jìn)一步提高，這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于為植入式傳感器或深海傳感器無線供電。”

如今最常見的“隔空充電”，當(dāng)屬電磁感應(yīng)和磁共振。兩者原理相同，都是電生磁，磁生電。電磁感應(yīng)充電效率較高，但制約因素也很明顯——距離。磁共振法則容易產(chǎn)生干擾。此次，科研人員瞄準(zhǔn)了一種我們同樣熟悉的傳輸介質(zhì)——超聲波，并采取方法提升了聲能轉(zhuǎn)化為電能的效率。不過我們也能看到，這一方法的能量傳輸效率為4%，其實(shí)還有較大改進(jìn)空間。真要實(shí)現(xiàn)為各類需要隔空充電的設(shè)備充電這一美好愿景，還得進(jìn)一步開展設(shè)計(jì)和研究。