超低功耗电路的最新进展为新的便携式电子设备和低功耗无线节点开辟了道路，这些设备可以用于偏远地区或植入人体。便携式、挽救生命的医疗植入物，如起搏器和除颤器，随着电池最终耗尽，面临着巨大的缺点。此外，从心脏的机械运动或身体的热能中收集能量的能量收集器不是为起搏器电池充电的可靠来源。

因此，对于此类应用，需要一种无线能量传输机制来有效地为电池充电。韩国科学技术院（KIST）的研究人员介绍了一种新的无线充电机制，使用超声波为植入式医疗设备和水下设备的电池充电，例如用于监测海底电缆状况的传感器。

研究人员认为超声波是一种通过EM波或磁场传输能量的介质，因为EM波不能通过致密介质传播，并且在充电过程中会产生显著的热量，这在植入装置的情况下是有害的。磁共振方法需要大线圈才能提高效率，并且电磁波很容易受到干扰或阻塞。另一方面，超声波更适合通过致密物质传递能量。

谈到接收器，压电材料是通过声波接收能量的常见选择。这些材料在受到机械波的压力时会产生电能。然而，压电接收器可以在特定频率下有效地收集，并且需要将材料设计为在入射声波的频率下共振。相比之下，摩擦电发电机是一种势能接收机构，因为由于应力而产生的表面电荷与面积成正比，因此不需要匹配共振。由于这一事实，KIST研究人员在他们的研究中选择了摩擦电发电机进行超声波能量传输。

摩擦电纳米发电机-概述

摩擦电效应是某些材料在与它们接触的物质分离后，在表面上通电或电荷积聚，导致形成电位差。摩擦电纳米发电机由两种不同的材料和放置在每种材料背面的两个电极组成。在声波的应力下，材料接触并产生摩擦，产生表面电荷。在此事件中，其中一种材料失去电子并带正电，而另一种材料获得电子并带负电荷。材料分离后，建立内部电位，导致电流流动。当应力被重新施加时，材料相互移动，电荷流回，导致相反的电流流动。一旦他们接触并出现摩擦，新的周期就开始了。然而，这些发电机的效率极低，可实现的功率密度也非常低。

铁电增强摩擦电纳米发电机

在KIST的研究中，研究人员通过在摩擦电层下引入具有高残余极化的铁电晶体来最大化表面电荷。铁电增强纳米发电机由柔性电极，固定组件，摩擦电层，铁电层和底部电极组成。研究人员选择氧化铟锡（ITO）涂层在苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上作为底部电极，聚四氟乙烯（PTFE）和薄铝箔用于摩擦电和顶部电极。铁电层位于基底和摩擦电层之间，摩擦电层由于残余极化而提供电场。极化改变了摩擦电层的能量配置，根据极化改变了电荷积聚的大小和方向。

使用铁电增强摩擦电能量接收器的水声能量传输系统的示意图。（图片来源：KIST）

随着铁电层的加入，超声能量传递效率从不到1%提高到4%以上。经过测试，研究人员观察到纳米发电机可以在距离电源6cm的距离内产生8mW的功率，这足以操作个LED或传输蓝牙传感器数据。此外，它产生的热量最少。

铁电增强纳米发电机，带有整流电路和蓝牙无线传感器。（图片来源：KIST）

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