在全球范围内，植入式医疗器件（Implantable Medical Devices，IMDs）正慢慢的变重要。这些小巧而强大的器件被大范围的使用在治疗和管理各种病症，如心脏病、糖尿病和神经系统疾病。例如，心脏起搏器和植入式心脏除颤器（ICDs）就像是心脏的“小电工”，帮助调整心律和防止心脏骤停；胰岛素泵则是糖尿病患者的“贴身保镖”，帮他们更好地管理血糖水平；神经刺激器则通过电刺激特定神经或脑区，来缓解帕金森病、癫痫和慢性疼痛等症状。全球有数以千万计的患者受益于IMDs，在北美、欧洲和日本等发达地区尤为常见。随着经济、医疗水平的提升和人口老龄化的加剧，IMDs在中国、印度等新兴市场的市场需求正一直增长，使用率逐年上升。
不过，几乎所有IMDs都面临一个亟待解决的挑战——供电。大多数设备内置了一次性锂电池，通常能支持设备正常工作5到8年，在电量耗尽之前需通过手术取出并更换新设备。这在某种程度上预示着患者要经历多次手术，不仅带来经济压力，还有随之而来的生理痛苦和精神压力。尤其对于老年患者而言，设备更换的感染率比首次植入高出三倍以上，而且手术本身也存在不可预知的风险。为了让患者免受频繁手术之苦，科学家们正在积极探索适用于IMDs的充电技术，例如电磁传能技术和生物能量收集技术（利用体温或器官运动）。这些技术尚处于实验阶段，但未来有望大幅度的提高设备的常规使用的寿命和患者的生活品质。近年来，超声传能技术（Ultrasound Power Transfer, UPT）因其独特的优势在众多充电技术中崭露头角，受到慢慢的变多的关注。鉴于此，香港科技大学的杨征保教授团队在《Advanced Materials》期刊上发表综述文章“Enhancing Ultrasound Power Transfer: Efficiency, Acoustics, and Future Directions”，全面回顾了UPT技术的发展历史，并从声学原理和能量效率的角度深入讨论了超声能量在UPT系统中的传输特点。文章归纳出该技术的三个主要发展阶段，并对其面临的挑战和未来的发展趋势进行了详细论述。
利用压电材料来能量传输的概念最早可以追溯到20世纪60年代的一项专利。这一设计将压电管紧密堆叠，使电能转化为振动能，随后再转换回电能。由发射端、薄金属板和接收端组成的“夹心”系统成功隔着5毫米钛板传输千瓦能量，效率高达84%，可用于航空运输或等极端场景。医生们注意到这项技术后将其引入治疗领域。1985年，Cochran等人首次对植入物进行了超声供能的实验。他们将一片PZT-5固定在成犬的股骨上，用作骨骼修复刺激器。当发射低强度超声时，压电输出明显地增加到600毫伏，证明了外部超声波为植入设备供电的可行性。从2000年起，超声传能技术重新焕发活力：几款经典的超声驱动的末梢神经刺激器和基于超声的数据交互原型机激发了人们对“压电+超声+医疗植入”的兴趣，大大推动了针对UPT技术的量化分析、系统模块设计、材料创新、适用场景的研究。
相较于传统的近场感应耦合传能的方法，超声传能在底层系统模块设计上具有更大的自由度：超声能量的高效传输只取决于发射端和接收端的谐振匹配，而不受两端尺寸及间距的限制。这种设计上的简化和灵活大大促进了UPT系统中换能器材料与结构的多样性和创新性。此外，UPT的优势还包括：（1）更低的超声频率：相较于电磁频段，更低的超声频率减少了人体组织内的能量衰减，增加穿透距离，同时还简化了发射端的电路设计，降低驱动设备的损耗。（2）更低的错位敏感度：声波在复杂人体组织内多次折射反射，形成相对 均匀的声能分布，降低了接收端的错位敏感性。（3）更高的安全性：植入设备通常含有金属材料和电路板，声波不会引发设备的金属涡流或温度上升。（4）尺寸匹配：生物组织中的兆赫兹级超声波长与微型压电接收器的尺寸同属（亚）毫米级别，提升了声能聚焦精度和能量效率。（5）更高的安全阈值：美国食品和药物管理局（FDA）规定绝大多数人体组织中允许的最大超声强度为720 mW/cm²。此限值远高于电磁波的安全阈值（通常为10 mW/cm²）。
图2. 左：采用UPT技术的代表性医学诊疗/保健方案；中:UPT系统示意图；右:UPT系统的能量流框架图
近年来，UPT技术在材料科学和制造工艺方面取得了长足进步，但对能量传输以及声能损耗的讨论还不够深入，已有工作多局限于公式借用或概念描述。为了弥补这一缺口，本文对UPT系统能量效率计算模型进行了全面调研，将其归纳为四大类型：实测模型、等效电路模型、声场模型和链式模型。同时，本文总结出了影响系统能量效率的三个关键参数，按重要性排序依次为：接收器的有效半径、超声穿透深度和中间介质类型。本文还绘制了首张UPT系统能流图，描绘了从发射端到接收端的能量传输路径，以及所有的环节中的能量损失。本图首次将“体内混响”纳入考虑，为UPT系统——特别是具有微型接收端的UPT系统——提供了更真实的能量预测模型。
UPT技术的发展可总结为三个发展阶段。2016年前，该技术尚处于孵化期。此时的材料选取和系统模块设计上都比较基础，研究重点是验证超声传能的可行性和可靠性。理论框架、仿真方法、实验平台搭建、系统配置以及与传统无线传能技术的对比是此阶段的主要课题。与此同时，在发射端，“阵列设计”启发人类能通过改变发射器配置来重构声场，从而提升能量效率；在接收端，精密加工技术显著减小其尺寸，将压电材器件变得更适合生物医疗植入的场景。2016-2020年是UPT技术的强化阶段。自聚焦探头、弯曲换能器的应用逐渐增强声场聚焦。慢慢的变多的接收器采用全方向性设计、1-3复合结构和周期性超结构来提升系统效率。UPT系统还吸纳了同时期的柔性电子技术和可穿戴技术：压电阵列、岛桥结构和柔性封装大幅度提升了接收端的可拉伸性和共形性，使之能够更好地与生物界面贴合匹配。2021年到现在，我们正处于UPT技术发展的第三个阶段。此阶段的主要特征是新压电材料、新换能机理、新植入场景的集中爆发。压电材料不再局限于传统的含铅陶瓷，无铅陶瓷、压电复合物、压电薄膜、生物压电材料、压电纳米颗粒、压电水凝胶等新材料陆续登场，以其更优的生物兼容性和生物降解性大放异彩。除了压电效应，基于新换能机理的UPT系统也陆续出现，受到慢慢的变多的关注，例如摩擦电效应、混合能量设计、磁致伸缩材料等。这些工作必然推动UPT系统的持续创新，加速UPT技术的临床转化和产品化，使之与生物医学中的诊疗手段相融合，成为值得深入研究的应用技术，在未来实现更多突破，造福更多患者。
该研究工作受香港研究资助局（GRF Project No. 11212021 and No. 11210822）资助。香港城市大学博士生郑毅为论文第一作者，合作者包括张卓敏博士、张彦虎教授、潘其其博士、晏晓东博士、李学木博士。
香港科技大学 机械与航空工程系 杨征保教授实验室Smart Transducers and Vibration Laboratory (STVL)主要研究方向包括能量采集、压电材料、柔性电子、超声、MEMS等。实验室长期招收博后、博士和访问学者，欢迎感兴趣的同学联系。
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