科学探索|科学家利用超声波为水下和人体植入式电子设备充电科学家利用超声波为水下和人

随着人口老龄化和医疗技术的发展，全世界使用人工心脏起搏器和除颤器等植入式电子设备的患者数量正在增加。目前，身体植入设备的电池是通过切口手术更换的，这可能导致健康并发症。因此，研究人员目前正在开发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，例如用于监测海底电缆状况的传感器。

文章图片

韩国科学技术研究院（KIST）宣布，由电子材料研究中心的Hyun-Cheol Song博士领导的研究小组开发了一种超声波无线电力传输技术，可应用于上述研究领域。
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；此外，还存在干扰其他无线通信频率的风险，如Wi-Fi和蓝牙。

文章图片

因此， 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。此外，新开发的装置具有很高的能量转换效率，产生的热量也很低。

文章图片

【科学探索|科学家利用超声波为水下和人体植入式电子设备充电】宋博士对该结果的意义解释如下：“这项研究表明，电子设备可以通过超声波的无线电源充电来驱动。如果该装置的稳定性和效率在未来得到进一步提高，这项技术可以应用于为植入式传感器或深海传感器无线供电，在这种情况下更换电池是很麻烦的。”