文/陳根

生物醫(yī)學(xué)電子植入物可以通過對(duì)人體的獨(dú)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(xué)植入技術(shù)已經(jīng)得到飛速發(fā)展，但大多數(shù)醫(yī)學(xué)植入物仍需使用傳統(tǒng)電池，當(dāng)集成在植入物中的電池電量耗盡時(shí)，不可避免的是要進(jìn)行置換手術(shù)，導(dǎo)致痛苦和危險(xiǎn)的外科手術(shù)。

實(shí)際上，對(duì)于長(zhǎng)期使用，已經(jīng)報(bào)道了多種方法來利用電化學(xué)反應(yīng)（例如生物燃料電池）或器官的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（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(shí)際使用中的功率密度和可靠性。

近日，來自韓國(guó)科學(xué)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(wú)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(wú)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(cè)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(wú)線能量傳輸。電磁感應(yīng)目前被用于智能手機(jī)和無(wú)線耳機(jī)；然而，其使用受到限制，因?yàn)殡姶挪ú荒艽┻^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?yàn)槌潆姇r(shí)產(chǎn)生的熱量是有害的。電磁共振方法要求磁場(chǎng)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(wú)線通信頻率的風(fēng)險(xiǎn)，如Wi-Fi和藍(lán)牙。

針對(duì)電磁感應(yīng)和電磁共振存在的問題，KIST團(tuán)隊(duì)采用超聲波作為能量傳輸媒介，而不是電磁波或磁場(chǎng)。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(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

研究小組開發(fā)了一個(gè)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(jī)械振動(dòng)有效地轉(zhuǎn)換為電能。通過在摩擦電發(fā)電機(jī)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(shí)操作200個(gè)LED或在水下進(jìn)行藍(lán)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(wú)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(biāo)準(zhǔn)的制造方法來進(jìn)行更高的改進(jìn)，這項(xiàng)工作將促進(jìn)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(jìn)和多樣化功能方向發(fā)展。