為醫(yī)療設(shè)備構(gòu)建基于壓電的采集傳感器的能量收集方案

能量收集是一種非常有吸引力的電源選擇，因?yàn)槠鸪跛坪跆峁┝擞罒o(wú)止境的“一無(wú)所有”的承諾。在某些情況下，它可以兌現(xiàn)承諾，例如，已成功用于振動(dòng)供電的橋梁監(jiān)控器中。在其他情況下，成本/收益比并不吸引人（盡管“嗡嗡聲”因子很高），因?yàn)槌杀静粸榱闱沂找嫖⒉蛔愕溃合胂霂в?a target="_blank">嵌入式組件的鞋子，它們將“步進(jìn)能量”轉(zhuǎn)化為電能，或者即使是帶有再生制動(dòng)器的自行車，也增加了重量，體積和成本，但回收的能量卻很少。

但是，在某個(gè)地方，收獲可能真正成為一個(gè)成功（或可贏得）的主張：為植入的醫(yī)療設(shè)備供電，并且一些高級(jí)研究人員正在體內(nèi)尋找對(duì)心臟起搏器和其他設(shè)備等設(shè)備供電的動(dòng)力。目前，大多數(shù)起搏器都使用具有5至10年壽命的原代（不可充電）細(xì)胞，之后需要進(jìn)行手術(shù)以進(jìn)行更換。（請(qǐng)注意，使用可充電二次電池和無(wú)接觸無(wú)線充電的聲音聽(tīng)起來(lái)像是可行的，因此是一種較好的選擇，但是仍然存在主要的醫(yī)學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，這些問(wèn)題仍然阻礙了廣泛采用。）

達(dá)特茅斯學(xué)院Thayer工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)與UT Health San Antonio（德克薩斯大學(xué)的一部分）合作，開發(fā)了一種新的方式來(lái)為這些醫(yī)療設(shè)備構(gòu)建基于壓電的采集傳感器。他們將薄膜能量轉(zhuǎn)換材料與微創(chuàng)起搏器機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)合使用，如論文“用于緊湊型能量收集的起搏器引線上的柔性多孔壓電懸臂梁”所述。他們利用了連接到跳動(dòng)的心臟上的導(dǎo)線的動(dòng)能，然后將其轉(zhuǎn)換為電能，從而為電池連續(xù)充電（圖1）。

圖1（a）是多孔壓電能量收集器的示意圖。（b）柔性多孔PVDF-TrFE薄膜；（c）薄膜橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。（來(lái)源：達(dá)特茅斯學(xué)院塞耶工程學(xué)院）

發(fā)電材料是稱為聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）的聚合物壓電膜。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)基本的雙懸臂結(jié)構(gòu)，將其包裹在起搏器的導(dǎo)線周圍，并使用機(jī)械振蕩器進(jìn)行了初始測(cè)試，以模擬心肌的運(yùn)動(dòng)以及起搏器導(dǎo)線的相應(yīng)變形。最大輸出為1 Hz時(shí)43 nA時(shí)為0.5 V，略高于20 nW。通過(guò)在雙懸臂式尖端的頂端增加一個(gè)31.6 mg的小的“標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量”，他們能夠?qū)⒐β瘦敵鎏岣?0％以上。增加的質(zhì)量使彎曲曲率更大，從而導(dǎo)致收割機(jī)的電輸出更高。此外，可以并聯(lián)多個(gè)采集器以獲得更大的輸出電流。

收獲可能不是某些人說(shuō)的那樣低成本或無(wú)成本的能源，但是在某些情況下，由于應(yīng)用程序的優(yōu)先級(jí)和限制，它可能是正確的解決方案。植入式醫(yī)療電子設(shè)備的供電可能成為這些領(lǐng)域中真正的益處無(wú)法克服的領(lǐng)域之一。

您是否曾經(jīng)在商業(yè)產(chǎn)品中使用過(guò)能量收集？殘酷的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)給我們留下了最深刻的印象-好的和壞的？

Bill Schweber是一位EE，他撰寫了三本教科書，數(shù)百篇技術(shù)文章，觀點(diǎn)專欄和產(chǎn)品功能。

編輯：hfy