《Nano Energy》综述：超声诱导的无线能量收集：从材料策略到功能应用

　　一、背景介绍

　　随着纳米技术、微电子学和生物医学的最新发展，对智能电子系统和无线电力的需求正在迅速增长。纳米技术、微电子学和生物医学之间的协同效应可能非常强大，并在一系列应用中发挥了至关重要的作用。例如，体内的可植入生物医学微系统最近在改善生命质量和延长患者寿命方面带来了许多医学进步。植入式生物医学装置（IBDs）目前已作为治疗手段应用于人体的各个部位，包括心脏复律除颤器、心脏起搏器、人造视网膜和深部脑刺激器等。这些生物医学电子产品可以针对与脑、心脏和感觉器官有关的多种疾病提供实时诊断和治疗。电池技术的进步为IBD铺平了道路，但是电池的存储容量和使用寿命的提高仍然充满挑战。目前，电池寿命仍限于数年。定期更换电池的外科手术将延长住院时间，并使患者面临更高的风险，例如高发病率，甚至死亡。因此，为了减轻患者的医疗负担，需要进行更多的研究和努力以延长电池的使用寿命，甚至从植入物中去除电池。

　　迄今为止，已经开发出许多支持无线能量传输和收集的器件，以及用于生物可植入系统的微型集成电路。超声诱导的无线能量收集（UWEH）是一种使用传播的超声波来携带可用能量的策略。与以电磁耦合为代表的传统无线能量收集相比，UWEH具有几个主要优点。首先，生物组织中超声功率的衰减远小于电磁辐射的衰减。较小的衰减不仅可以在给定功率下实现更长的穿透深度，而且还将大大减少由于组织吸收或散射引起的不必要的能量损失。其次，超声波速度在组织中要比无线电波的速度低几个数量级，从而在相似的频率下具有较短的波长。较小的波长可使超声功率集中在毫米点的大小上，从而产生出色的空间分辨率。第三，超声波在大多数医疗应用中更安全。超声波技术长期以来一直用于医学治疗和诊断。根据美国食品药品监督管理局（FDA）的规定，在医疗诊断应用中，人体可接受的超声强度不能超过720 mW·cm-2，这是无线电安全阈值（1-10 mW·cm-2）的数十倍。早在2007年，王中林院士等人就提出了一种基于ZnO纳米线阵列的纳米发电机，该发电机可以由超声波驱动以产生为可植入器件应用的连续电输出。Johnson和Seo等还开发了用于周围神经电刺激和记录的超声诱导神经尘埃微系统，该系统使用超声波供能，并控制实行下行链路通信和读出。因此，在植入式医疗系统中，UWEH技术是一种很有前途的策略。此外，UWEH还提供了在自供电无线传感器和化学催化领域中的潜在应用。

　　这篇综述的目的是总结和分类UWEH技术的最新进展，这些技术使用了多种材料策略和系统设计来实现生物医学以及化学的功能。首先，UWEH的工作原理将被介绍，包括超声诱导的压电式和电容式收集原理。然后，将从材料策略（例如压电纳米材料，压电薄膜，压电陶瓷和复合材料，SIO晶片等）、制造技术（例如MEMS、切块-填充技术、柔性技术等）、功能应用（例如用于生物植入设备的无线电力、直接细胞/组织电刺激、超声诱导的压电催化等）以及系统设计应注意的事项（例如声吸收和反射，安全性等）几个方面进行回顾和讨论。该综述论文以“Ultrasound-Induced Wireless Energy Harvesting:From Materials Strategies to Functional Applications”为题，发表在《Nano Energy》上（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105131）。南加州大学博士后Laiming Jiang为论文第一作者，南加州大学教授Qifa Zhou、Yong Chen和圣地亚哥州立大学助理教授Yang Yang为论文共同通讯作者。

　　二、图文导读

　　超声波是一种频率高于20 kHz的声波，具有良好的方向性并且易于获得集中的声能。UWEH策略是使用传播的超声波来携带可用能量，该能量实质上是在声介质中传播的机械振动。目前，已经针对UWEH提出了几种不同的能量转换机制，包括：（1）压电能量收集机制和（2）电容能量收集机制。

　　图 1超声诱导的无线能量收集（UWEH）的集成图，图中展示了用于UWEH的机制、材料类别及其相关的应用。

　　图 2压电式能量收集的机制。a）压电能量收集装置的示意图。b）在轴向应变下模拟ZnO纳米线中的压电势分布。c）纤锌矿型结构的ZnO在拉伸和压缩模式下的原子模型和不同的压电势。

　　图 3电容式能量收集的机制。a）基于驻极体的静电能量收集的示意图。b）驻极体静电能量收集器的等效电路。c）摩擦电能量收集（TENG）的工作机制示意图。d）TENG的等效电路。

　　图4基于无铅复合材料的UWEH。a）无铅UWEH设备的示意图。b）无铅UWEH设备的光学图像，显示其包裹于折叠的表面和弯曲的表面。c）无铅复合部件的制造和微观结构。d）无铅UWEH设备植入眼球的离体测试。

　　基于不同材料和设备设计，并不断优化其结构和输出性能，UWEH已实现了一系列功能性应用，包括用于生物植入设备的无线电力、直接细胞/组织电刺激、神经系统中的无线记录和通讯、超声调制药物递送、自供电声传感器和超声诱导的压电催化。

　　图 5UWEH的应用。a）用于生物可植入设备的无线电力—为可植入微氧气发生器提供动力。b）直接细胞/组织电刺激—— P(VDF-TrFE)/ BTNPs复合膜介导的压电刺激并促进SH-SY5Y神经母细胞瘤细胞分化。 c）神经系统中的无线记录和通信——一种可穿戴的超声系统，用于与植入式传感器微粒和远程客户端进行实时无线通信链接。d）超声调节药物递送——基于UWEH的纳米结构超薄贴剂，用于抗再狭窄药物的递送。e）自供电声传感器——一种用于自供电声音记录的设备。f）超声诱导的压电催化——基于UWEH的压电催化，用于无损牙齿增白。

　　图 6自2007年以来UWEH的发展摘要。

　　图 7关于UWEH技术的未来展望。

　　三、总结与展望

　　这篇综述总结了超声诱导的无线能量采集（UWEH）技术领域的一些最新进展，这些技术已在一系列研究和应用中使用。此外，纳米技术、微电子学和生物医学系统的进步正在彻底改变UWEH。它们的协同作用可能非常强大，并且可以在一系列新兴应用中发挥至关重要的作用。本文从材料策略、制造技术、设计考虑和功能应用的角度对UWEH技术进行了系统地讨论。UWEH技术无疑为各种应用显示了稳定，可靠和安全的输出。

　　总而言之，希望这项工作能够为UWEH当前的发展提供一个摘要，以供进一步研究，并激发对UWEH技术以及其他无线电子设备和系统的更好设计。便携式、高性能、自主甚至可生物降解的电子产品以及与UWEH结合的纳米/微型生物机器人是正在迅速发展的下一代智能设备。在结构和功能上与这些系统兼容的合适的能量传输策略极为重要。这些功能的集成可以扩展其实际功能，尤其是对于需要植入人体的医疗设备而言。此外，对于UWEH设备性能的定性和定量评估以及其在实际应用和商业化中的潜力，标准评估标准也是必要的。在该领域的未来研究还将集中于对它们的动态特性的智能和自主控制，例如动态传递效率、操作安全性和稳定性以及其他超声诱发的影响等。

　　Ultrasound-inducedwireless energy harvesting: From Materials Strategies to functionalapplications， https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105131