隨著納米技術(shù)、微電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的最新發(fā)展，對(duì)智能電子系統(tǒng)和無(wú)線電力的需求正在迅速增長(zhǎng)。納米技術(shù)、微電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)之間的協(xié)同效應(yīng)可能非常強(qiáng)大，并在一系列應(yīng)用中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。例如，體內(nèi)的可植入生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)最近在改善生命質(zhì)量和延長(zhǎng)患者壽命方面帶來(lái)了許多醫(yī)學(xué)進(jìn)步。植入式生物醫(yī)學(xué)裝置（IBDs）目前已作為治療手段應(yīng)用于人體的各個(gè)部位，包括心臟復(fù)律除顫器、心臟起搏器、人造視網(wǎng)膜和深部腦刺激器等。這些生物醫(yī)學(xué)電子產(chǎn)品可以針對(duì)與腦、心臟和感覺(jué)器官有關(guān)的多種疾病提供實(shí)時(shí)診斷和治療。電池技術(shù)的進(jìn)步為IBD鋪平了道路，但是電池的存儲(chǔ)容量和使用壽命的提高仍然充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。目前，電池壽命仍限于數(shù)年。定期更換電池的外科手術(shù)將延長(zhǎng)住院時(shí)間，并使患者面臨更高的風(fēng)險(xiǎn)，例如高發(fā)病率，甚至死亡。因此，為了減輕患者的醫(yī)療負(fù)擔(dān)，需要進(jìn)行更多的研究和努力以延長(zhǎng)電池的使用壽命，甚至從植入物中去除電池。
迄今為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多支持無(wú)線能量傳輸和收集的器件，以及用于生物可植入系統(tǒng)的微型集成電路。超聲誘導(dǎo)的無(wú)線能量收集（UWEH）是一種使用傳播的超聲波來(lái)攜帶可用能量的策略。與以電磁耦合為代表的傳統(tǒng)無(wú)線能量收集相比，UWEH具有幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。首先，生物組織中超聲功率的衰減遠(yuǎn)小于電磁輻射的衰減。
較小的衰減不僅可以在給定功率下實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的穿透深度，而且還將大大減少由于組織吸收或散射引起的不必要的能量損失。其次，超聲波速度在組織中要比無(wú)線電波的速度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在相似的頻率下具有較短的波長(zhǎng)。較小的波長(zhǎng)可使超聲功率集中在毫米點(diǎn)的大小上，從而產(chǎn)生出色的空間分辨率。第三，超聲波在大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用中更安全。超聲波技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)一直用于醫(yī)學(xué)治療和診斷。根據(jù)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的規(guī)定，在醫(yī)療診斷應(yīng)用中，人體可接受的超聲強(qiáng)度不能超過(guò)720 mW·cm-2，這是無(wú)線電安全閾值（1-10 mW·cm-2）的數(shù)十倍。早在2007年，王中林院士等人就提出了一種基于ZnO納米線陣列的納米發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)可以由超聲波驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生為可植入器件應(yīng)用的連續(xù)電輸出。Johnson和Seo等還開(kāi)發(fā)了用于周?chē)窠?jīng)電刺激和記錄的超聲誘導(dǎo)神經(jīng)塵埃微系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用超聲波供能，并控制實(shí)行下行鏈路通信和讀出。因此，在植入式醫(yī)療系統(tǒng)中，UWEH技術(shù)是一種很有前途的策略。此外，UWEH還提供了在自供電無(wú)線傳感器和化學(xué)催化領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。
這篇綜述的目的是總結(jié)和分類(lèi)UWEH技術(shù)的最新進(jìn)展，這些技術(shù)使用了多種材料策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)以及化學(xué)的功能。首先，UWEH的工作原理將被介紹，包括超聲誘導(dǎo)的壓電式和電容式收集原理。然后，將從材料策略（例如壓電納米材料，壓電薄膜，壓電陶瓷和復(fù)合材料，SIO晶片等）、制造技術(shù)（例如MEMS、切塊-填充技術(shù)、柔性技術(shù)等）、功能應(yīng)用（例如用于生物植入設(shè)備的無(wú)線電力、直接細(xì)胞/組織電刺激、超聲誘導(dǎo)的壓電催化等）以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)（例如聲吸收和反射，安全性等）幾個(gè)方面進(jìn)行回顧和討論。該綜述論文以“Ultrasound-Induced Wireless Energy Harvesting:From Materials Strategies to Functional Applications”為題，發(fā)表在《Nano Energy》上（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105131）。南加州大學(xué)博士后Laiming Jiang為論文第一作者，南加州大學(xué)教授Qifa Zhou、Yong Chen和圣地亞哥州立大學(xué)助理教授Yang Yang為論文共同通訊作者。
二、圖文導(dǎo)讀
超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，具有良好的方向性并且易于獲得集中的聲能。UWEH策略是使用傳播的超聲波來(lái)攜帶可用能量，該能量實(shí)質(zhì)上是在聲介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。目前，已經(jīng)針對(duì)UWEH提出了幾種不同的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，包括：
- （1）壓電能量收集機(jī)制和
- （2）電容能量收集機(jī)制。
基于不同材料和設(shè)備設(shè)計(jì)，并不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和輸出性能，UWEH已實(shí)現(xiàn)了一系列功能性應(yīng)用，包括用于生物植入設(shè)備的無(wú)線電力、直接細(xì)胞/組織電刺激、神經(jīng)系統(tǒng)中的無(wú)線記錄和通訊、超聲調(diào)制藥物遞送、自供電聲傳感器和超聲誘導(dǎo)的壓電催化。
三、總結(jié)與展望
這篇綜述總結(jié)了超聲誘導(dǎo)的無(wú)線能量采集（UWEH）技術(shù)領(lǐng)域的一些最新進(jìn)展，這些技術(shù)已在一系列研究和應(yīng)用中使用。此外，納米技術(shù)、微電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)步正在徹底改變UWEH。它們的協(xié)同作用可能非常強(qiáng)大，并且可以在一系列新興應(yīng)用中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。本文從材料策略、制造技術(shù)、設(shè)計(jì)考慮和功能應(yīng)用的角度對(duì)UWEH技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地討論。UWEH技術(shù)無(wú)疑為各種應(yīng)用顯示了穩(wěn)定，可靠和安全的輸出。
總而言之，希望這項(xiàng)工作能夠?yàn)閁WEH當(dāng)前的發(fā)展提供一個(gè)摘要，以供進(jìn)一步研究，并激發(fā)對(duì)UWEH技術(shù)以及其他無(wú)線電子設(shè)備和系統(tǒng)的更好設(shè)計(jì)。便攜式、高性能、自主甚至可生物降解的電子產(chǎn)品以及與UWEH結(jié)合的納米/微型生物機(jī)器人是正在迅速發(fā)展的下一代智能設(shè)備。在結(jié)構(gòu)和功能上與這些系統(tǒng)兼容的合適的能量傳輸策略極為重要。這些功能的集成可以擴(kuò)展其實(shí)際功能，尤其是對(duì)于需要植入人體的醫(yī)療設(shè)備而言。此外，對(duì)于UWEH設(shè)備性能的定性和定量評(píng)估以及其在實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化中的潛力，標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也是必要的。在該領(lǐng)域的未來(lái)研究還將集中于對(duì)它們的動(dòng)態(tài)特性的智能和自主控制，例如動(dòng)態(tài)傳遞效率、操作安全性和穩(wěn)定性以及其他超聲誘發(fā)的影響等。
全文鏈接：
Ultrasound-inducedwireless energy harvesting: From Materials Strategies to functionalapplications
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105131
