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超聲波為水下儀器和人體植入設備充電 相關研究發(fā)表在《能源和環(huán)境科學》

時間:2022-04-20 16:32:02 來源: 科技日報


隨著人口老齡化和醫(yī)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(shù)量在全球范圍內不斷增加。韓國科學技術研究院(KIST)宣布,由電子材料研究中心宋憲哲博士領導的研究團隊開發(fā)了一種可應用于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(jiān)測海底電纜狀況的傳感器等水下儀器的電池充電。相關研究日發(fā)表在《能源和環(huán)境科學》雜志上。

電磁感應和磁共振可用于無線能量傳輸。電磁感應目前用于智能手機和無線耳機。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,由于充電過程中產生的熱量是有害的,因此這種方法不能輕易地用于為植入式醫(yī)療裝置充電。磁共振法要求磁場發(fā)生器和發(fā)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和藍牙)的風險。

KIST團隊采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于水下環(huán)境,在器官或胎兒狀況診斷等各種醫(yī)療應用中,超聲波在人體中的安全已得到驗證。然而,現(xiàn)有的聲能傳輸方法由于聲能傳輸效率低,不易實現(xiàn)商業(yè)化。

研究小組開發(fā)了一種模型,該模型使用摩擦電原理接收超聲波并將其轉換為電能,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(fā)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厘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或在水下傳輸藍牙傳感器數(shù)據(jù)。新開發(fā)的裝置具有較高的能量轉換效率并產生少量熱量。

宋博士說:“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(wěn)定和效率進一步提高,這項技術可應用于為植入式傳感器或深海傳感器無線供電。”

【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。磁共振法則容易產生干擾。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,并采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(xiàn)為各類需要隔空充電的設備充電這一美好愿景,還得進一步開展設計和研究。(記者張夢然)


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