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文/陳根

生物醫(yī)學電子植入物可以通過對人體的獨立診斷和治療來幫助提高人們的生活質(zhì)量和壽命。近年來，生物醫(yī)學植入技術(shù)已經(jīng)得到飛速發(fā)展，但大多數(shù)醫(yī)學植入物仍需使用傳統(tǒng)電池，當集成在植入物中的電池電量耗盡時，不可避免的是要進行置換手術(shù)，導(dǎo)致痛苦和危險的外科手術(shù)。

實際上，對于長期使用，已經(jīng)報道了多種方法來利用電化學反應(yīng)（例如生物燃料電池）或器官的機械運動（比如呼吸、心跳、肌肉）在人體中提供可持續(xù)的電力，目的是提高實際使用中的功率密度和可靠性。

近日，來自韓國科學技術(shù)研究院（KIST）的研究人員則宣布，他們開發(fā)了一種新型的無線能量傳輸充電技術(shù)，可用于為身體植入的設(shè)備充電而無需手術(shù)。同樣的技術(shù)也可用于為水下設(shè)備的電池充電，比如，用于監(jiān)測海底電纜狀況的傳感器。

具體來看，電磁感應(yīng)和電磁共振可用于無線能量傳輸。電磁感應(yīng)目前被用于智能手機和無線耳機；然而，其使用受到限制，因為電磁波不能穿過水或金屬，導(dǎo)致傳輸距離短。

此外，這種方法不能輕易用于為植入式醫(yī)療設(shè)備充電，因為充電時產(chǎn)生的熱量是有害的。電磁共振方法要求磁場發(fā)生器和發(fā)射設(shè)備的共振頻率完全相同。并且，電磁感應(yīng)和電磁共振還存在干擾其他無線通信頻率的風險，如Wi-Fi和藍牙。

針對電磁感應(yīng)和電磁共振存在的問題，KIST團隊采用超聲波作為能量傳輸媒介，而不是電磁波或磁場。使用超聲波的聲納通常用于水下環(huán)境，而在人體中使用超聲波的安全性在各種醫(yī)療應(yīng)用中也得到了保證，如器官或胎兒狀況的診斷。然而，由于聲能的傳輸效率低，現(xiàn)有的聲能傳輸方法不容易實現(xiàn)商業(yè)化。

研究小組開發(fā)了一個模型，利用摩擦起電原理接收超聲波并將其轉(zhuǎn)換為電能，該原理可以將小的機械振動有效地轉(zhuǎn)換為電能。通過在摩擦電發(fā)電機中加入鐵電材料，超聲波的能量傳輸效率從不到1%大幅提高到4%以上。

此外，在6厘米的距離上可以充電超過8毫瓦，這足以同時操作200個LED或在水下進行藍牙傳感器數(shù)據(jù)通信。新開發(fā)的裝置還具有很高的能量轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生的熱量也很低。

接收超聲波轉(zhuǎn)化為電能無疑滿足了植入式設(shè)備的充電和操作。未來，可以通過在具有優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備中采用行業(yè)標準的制造方法來進行更高的改進，這項工作將促進那些受生命體內(nèi)有限電力限制的醫(yī)療植入物向著更先進和多樣化功能方向發(fā)展。