植入式医疗器械(IMDs)对患者的健康非常有益。在快速发展的imd技术中，可持续可靠的imd供电方法至关重要。他们通常依赖于原电池，这些电池可能会被更换手术，这可能会带来不可忽视的风险和成本。无线电磁传输已被提出作为一种替代供电策略。然而，在传输高功率时，它会在组织中产生过多的热量，这引起了安全问题。

纳米发电机(NGs)已被提出用于检测/收集由人体运动触发的机械能。从驱动原理方面研究了两种类型的ngg。压电NGs (PENGs)需要一个循环应力，由挤压或弯曲驱动，以产生电力。摩擦电NGs (TENGs)只要有物理接触或摩擦就能发电。考虑到用于imd的材料/器件的调节组以避免体内任何生物不良反应，teng受益于材料的多样性，而peng则受限于有限的非中心对称材料(例如ZnO, Pb(Zr,Ti)O)_3.(压电)BaTiO_3.PVDF)。从功率容量的角度来看，植入的teng在低频身体运动下转换的功率可能无法满足imd的足够水平。因此，在替代供电策略方面，必须解决无创、可持续和足够的电力容量问题。

图1所示。(a) VI-TENG运作概念示意图。有限元法(FEM)模拟显示了(b)声压在水和VI-TENG中的传播，以及(b)在20 kHz US下由VI-TENG触发的振荡水平。

超声(美国)已被批准用于开发各种医疗目的，如缓解疼痛的治疗和成像器具。由于US在穿过生物组织时引起特定区域振荡，压电US能量接收器已被证明可提供数百毫瓦的功率。然而，PZT的局限性包括其在人体中长期的潜在毒性和不合适的植入厚度仍然是imd的障碍。另一方面，由于其不受材料影响的供电能力，teng被认为是一种很有前途的植入式供电系统。此外，只要材料之间的接触最小，TENG就可以在密闭空间(例如人体)中发电。我们报道了使用高频振动和植入式TENG (VI-TENG)来收集体内US(图1a)。根据声学和力学模拟，US不能通过VI-TENG，而是激发设备(图1b)，验证了在施加US的频率下整个摩擦材料的振荡(图1c)。

图2所示。(a) VI-TENG的正面和背面。(b) VI-TENG由美国探头在20 kHz和3 W/cm2下产生的电压和电流。(c)在功率密度为3w /cm2时，最大电流和功率作为5毫米处电阻抗的函数。(d)猪离体示意图和显示植入VI-TENG位置的组织。(e) 700 μ a -h薄膜锂离子电池充电。

VI-TENG(图2a)被开发用于收集US并为集成在背面的电池充电。首先，我们对VI-TENG在水下的特性进行了研究，为US提供了良好的繁殖介质。我们的研究结果表明，VI-TENG产生9.71 V_{[均方根(RMS)]}和427µA_RMS以3w /cm的20khz超声触发²(图2 b)。为了表征TENG产生的最佳功率，我们测量了输出电流作为电阻抗的函数(图2c)。VI-TENG在33千瓦时产生450µA，提供6.74 mW的最大输出功率，相当于0.872 mW的恒定平均功率和5.2 W/m的功率密度²。由于给定的VI-TENG旨在为经皮植入电池充电，因此我们对猪组织下的VI-TENG进行了表征，这与人类皮肤比较相似(图2)。植入深度为5 ~ 10 mm的VI-TENG产生的电流约为水中的2.9 ~ 4.7倍(植入深度为5 mm时为2.4 V/156µA，植入深度为10 mm时为1.93 V/98.6µA)，表明US的声阻抗和衰减共同决定了VI-TENG的性能。从实用的角度来看，我们对一个700µa小时的薄膜锂离子电池(图2e)进行了充电，该电池可用于商业imd，如起搏器、神经刺激器和神经刺激器。我们在4小时30分钟内将电池充电至4.1 V，平均充电速率为166µC/s。它可与商用起搏器KSR701相媲美，后者通常消耗289µA小时。这一结果激发了进一步的研究，以推进美国驱动的teng，以应对imd中的功率问题。

尹洪俊，金相宇
韩国成均馆大学先进材料科学与工程学院，韩国水原16419

出版

使用电容式摩擦电技术的经皮超声能量收集
罗南·欣切特，尹洪俊，柳汉俊，金武康，崔义根，金东宣，金尚宇
2019年8月2日

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