植入身体的医疗设备，如何用超声波充电？

文/陈根

生物医学电子植入物可以通过对人体的独立诊断和治疗来帮助提高人们的生活质量和寿命。近年来，生物医学植入技术已经得到飞速发展，但大多数医学植入物仍需使用传统电池，当集成在植入物中的电池电量耗尽时，不可避免的是要进行置换手术，导致痛苦和危险的外科手术。

实际上，对于长期使用，已经报道了多种方法来利用电化学反应（例如生物燃料电池）或器官的机械运动（比如呼吸、心跳、肌肉）在人体中提供可持续的电力，目的是提高实际使用中的功率密度和可靠性。

近日，来自韩国科学技术研究院（KIST）的研究人员则宣布，他们开发了一种新型的无线能量传输充电技术，可用于为身体植入的设备充电而无需手术。同样的技术也可用于为水下设备的电池充电，比如，用于监测海底电缆状况的传感器。

具体来看，电磁感应和电磁共振可用于无线能量传输。电磁感应目前被用于智能手机和无线耳机；然而，其使用受到限制，因为电磁波不能穿过水或金属，导致传输距离短。

此外，这种方法不能轻易用于为植入式医疗设备充电，因为充电时产生的热量是有害的。电磁共振方法要求磁场发生器和发射设备的共振频率完全相同。并且，电磁感应和电磁共振还存在干扰其他无线通信频率的风险，如Wi-Fi和蓝牙。

针对电磁感应和电磁共振存在的问题，KIST团队采用超声波作为能量传输媒介，而不是电磁波或磁场。使用超声波的声纳通常用于水下环境，而在人体中使用超声波的安全性在各种医疗应用中也得到了保证，如器官或胎儿状况的诊断。然而，由于声能的传输效率低，现有的声能传输方法不容易实现商业化。

研究小组开发了一个模型，利用摩擦起电原理接收超声波并将其转换为电能，该原理可以将小的机械振动有效地转换为电能。通过在摩擦电发电机中加入铁电材料，超声波的能量传输效率从不到1%大幅提高到4%以上。

此外，在6厘米的距离上可以充电超过8毫瓦，这足以同时操作200个LED或在水下进行蓝牙传感器数据通信。新开发的装置还具有很高的能量转换效率，产生的热量也很低。

接收超声波转化为电能无疑满足了植入式设备的充电和操作。未来，可以通过在具有优化外延结构的专用设备中采用行业标准的制造方法来进行更高的改进，这项工作将促进那些受生命体内有限电力限制的医疗植入物向着更先进和多样化功能方向发展。