隨著納米技術、微電子學和生物醫(yī)學的最新發(fā)展，對智能電子系統(tǒng)和無線電力的需求正在迅速增長。納米技術、微電子學和生物醫(yī)學之間的協(xié)同效應可能非常強大，并在一系列應用中發(fā)揮了至關重要的作用。例如，體內(nèi)的可植入生物醫(yī)學微系統(tǒng)最近在改善生命質量和延長患者壽命方面帶來了許多醫(yī)學進步。植入式生物醫(yī)學裝置（IBDs）目前已作為治療手段應用于人體的各個部位，包括心臟復律除顫器、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)學電子產(chǎn)品可以針對與腦、心臟和感覺器官有關的多種疾病提供實時診斷和治療。電池技術的進步為IBD鋪平了道路，但是電池的存儲容量和使用壽命的提高仍然充滿挑戰(zhàn)。目前，電池壽命仍限于數(shù)年。定期更換電池的外科手術將延長住院時間，并使患者面臨更高的風險，例如高發(fā)病率，甚至死亡。因此，為了減輕患者的醫(yī)療負擔，需要進行更多的研究和努力以延長電池的使用壽命，甚至從植入物中去除電池。
迄今為止，已經(jīng)開發(fā)出許多支持無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。超聲誘導的無線能量收集（UWEH）是一種使用傳播的超聲波來攜帶可用能量的策略。與以電磁耦合為代表的傳統(tǒng)無線能量收集相比，UWEH具有幾個主要優(yōu)點。首先，生物組織中超聲功率的衰減遠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現(xiàn)更長的穿透深度，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線電波的速度低幾個數(shù)量級，從而在相似的頻率下具有較短的波長。較小的波長可使超聲功率集中在毫米點的大小上，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)療應用中更安全。超聲波技術長期以來一直用于醫(yī)學治療和診斷。根據(jù)美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的規(guī)定，在醫(yī)療診斷應用中，人體可接受的超聲強度不能超過720 mW·cm-2，這是無線電安全閾值（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，該發(fā)電機可以由超聲波驅動以產(chǎn)生為可植入器件應用的連續(xù)電輸出。Johnson和Seo等還開發(fā)了用于周圍神經(jīng)電刺激和記錄的超聲誘導神經(jīng)塵埃微系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用超聲波供能，并控制實行下行鏈路通信和讀出。因此，在植入式醫(yī)療系統(tǒng)中，UWEH技術是一種很有前途的策略。此外，UWEH還提供了在自供電無線傳感器和化學催化領域中的潛在應用。
這篇綜述的目的是總結和分類UWEH技術的最新進展，這些技術使用了多種材料策略和系統(tǒng)設計來實現(xiàn)生物醫(yī)學以及化學的功能。首先，UWEH的工作原理將被介紹，包括超聲誘導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，壓電陶瓷和復合材料，SIO晶片等）、制造技術（例如MEMS、切塊-填充技術、柔性技術等）、功能應用（例如用于生物植入設備的無線電力、直接細胞/組織電刺激、超聲誘導的壓電催化等）以及系統(tǒng)設計應注意的事項（例如聲吸收和反射，安全性等）幾個方面進行回顧和討論。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）。南加州大學博士后Laiming Jiang為論文第一作者，南加州大學教授Qifa Zhou、Yong Chen和圣地亞哥州立大學助理教授Yang Yang為論文共同通訊作者。
二、圖文導讀
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攜帶可用能量，該能量實質上是在聲介質中傳播的機械振動。目前，已經(jīng)針對UWEH提出了幾種不同的能量轉換機制，包括：
- （1）壓電能量收集機制和
- （2）電容能量收集機制。
基于不同材料和設備設計，并不斷優(yōu)化其結構和輸出性能，UWEH已實現(xiàn)了一系列功能性應用，包括用于生物植入設備的無線電力、直接細胞/組織電刺激、神經(jīng)系統(tǒng)中的無線記錄和通訊、超聲調制藥物遞送、自供電聲傳感器和超聲誘導的壓電催化。
三、總結與展望
這篇綜述總結了超聲誘導的無線能量采集（UWEH）技術領域的一些最新進展，這些技術已在一系列研究和應用中使用。此外，納米技術、微電子學和生物醫(yī)學系統(tǒng)的進步正在徹底改變UWEH。它們的協(xié)同作用可能非常強大，并且可以在一系列新興應用中發(fā)揮至關重要的作用。本文從材料策略、制造技術、設計考慮和功能應用的角度對UWEH技術進行了系統(tǒng)地討論。UWEH技術無疑為各種應用顯示了穩(wěn)定，可靠和安全的輸出。
總而言之，希望這項工作能夠為UWEH當前的發(fā)展提供一個摘要，以供進一步研究，并激發(fā)對UWEH技術以及其他無線電子設備和系統(tǒng)的更好設計。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結合的納米/微型生物機器人是正在迅速發(fā)展的下一代智能設備。在結構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展其實際功能，尤其是對于需要植入人體的醫(yī)療設備而言。此外，對于UWEH設備性能的定性和定量評估以及其在實際應用和商業(yè)化中的潛力，標準評估標準也是必要的。在該領域的未來研究還將集中于對它們的動態(tài)特性的智能和自主控制，例如動態(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
