超聲波為水下儀器和人體植入設備充電

使用超聲波探頭為人體植入電子設備無線充電的示意圖。

圖片來源：南韓科學技術研究院 

隨著人口老齡化和醫療技術的進步，使用人工心臟起搏器和除顫器等植入式電子設備的患者數量在全球範圍內不斷增加。南韓科學技術研究院（KIST）宣佈，由電子材料研究中心宋憲哲博士領導的研究團隊開發了一種可應用於人體植入物的超聲波無線能量傳輸充電技術，該技術也可為監測海底電纜狀況的感測器等水下儀器的電池充電。相關研究近日發表在《能源和環境科學》雜誌上。

電磁感應和磁共振可用於無線能量傳輸。電磁感應目前用於智慧手機和無線耳機。但其使用的限制是電磁波不能穿過水或金屬，導致充電距離短。此外，由於充電過程中産生的熱量是有害的，因此這種方法不能輕易地用於為植入式醫療裝置充電。磁共振法要求磁場發生器和發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和藍芽）的風險。

KIST團隊採用超聲波而不是電磁波或磁場作為能量傳輸介質。使用超聲波的聲吶通常用於水下環境，在器官或胎兒狀況診斷等各种醫療應用中，超聲波在人體中的安全性已得到驗證。然而，現有的聲能傳輸方法由於聲能傳輸效率低，不易實現商業化。

研究小組開發了一種模型，該模型使用摩擦電原理接收超聲波並將其轉換為電能，該原理可有效地將微小的機械振動轉換為電能。通過在摩擦發電機中添加鐵電材料，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釐米的距離處充電超過8毫瓦的功率，這足以同時操作200個LED或在水下傳輸藍芽感測器數據。新開發的裝置具有較高的能量轉換效率並産生少量熱量。

宋博士説：“這項研究表明，電子設備可通過超聲波以無線充電方式來驅動。如果未來設備的穩定性和效率進一步提高，這項技術可應用於為植入式感測器或深海感測器無線供電。”

【總編輯圈點】

如今最常見的“隔空充電”，當屬電磁感應和磁共振。兩者原理相同，都是電生磁，磁生電。電磁感應充電效率較高，但制約因素也很明顯——距離。磁共振法則容易産生干擾。此次，科研人員瞄準了一種我們同樣熟悉的傳輸介質——超聲波，並採取方法提升了聲能轉化為電能的效率。不過我們也能看到，這一方法的能量傳輸效率為4%，其實還有較大改進空間。真要實現為各類需要隔空充電的設備充電這一美好願景，還得進一步開展設計和研究。