综述：基于超声波驱动的摩擦电技术实现功能性无线电力传输

《Advanced Materials Technologies》：Ultrasound-Driven Triboelectric Technology for Functional Wireless Power Transfer

植入式生物电子设备无线充电、自供电生物治疗及水下能量传输应用中的超声波驱动三轴纳米发电机（US-TENGs）技术综述。重点分析柔性生物相容性材料、铁电增强层、阻抗匹配优化等关键技术，探讨可降解结构、多模态能量整合及智能传感系统等未来发展方向。

　　无线电力传输（WPT）技术为无物理连接的电荷远程输送提供了创新的解决方案，其在生物医学和环境领域展现出巨大的潜力。近年来，超声波驱动的摩擦纳米发电机（US-TENGs）在克服传统WPT技术在生物组织和流体环境中的关键挑战方面取得了重要进展。这些挑战包括安全性、深部穿透能力、兼容性以及可调性，而US-TENGs通过高效的电荷生成和稳定的操作特性，为实现生物体内和水下环境的电力传输提供了独特的技术路径。US-TENGs的出现标志着WPT领域的一项重大突破，特别是在为可充电植入式生物电子系统供电、开发无电池和自供电的生物治疗设备，以及实现水下能量传输和通信方面具有重要意义。

US-TENGs的核心原理基于机械接触-分离和静电感应，这使得它们能够在超声波作用下实现更高的输出电压和更高效的性能表现。相较于传统的超声波驱动压电纳米发电机（US-PENGs），US-TENGs在材料选择和结构设计上展现出更大的灵活性。它们可以同时满足柔性、生物相容性、生物可降解性和生物粘附性等要求，从而更好地适应复杂的生物环境。此外，通过优化材料组成和结构配置，US-TENGs能够在不同的超声波条件下产生更高的电能输出，为多种应用提供高效的能量收集和无线供电方案。

当前的US-TENGs设计在多个方面取得了显著进展。例如，一种早期的US-TENG原型能够在体内环境中以约0.37毫瓦的功率和166微库仑每秒的充电速率实现对可植入生物电子设备的供电。随后，通过引入微流体结构和MEMS技术，研究人员开发了具有更高性能的微通道US-TENG，实现了更广泛的超声波频率范围和更高效的信号传输。在材料创新方面，将高极化铁电体单晶（如PMN-PT）嵌入摩擦电层中，进一步提高了US-TENGs的输出电压和电荷密度，为深部组织供电和实时生物监测提供了新的可能性。此外，为了提高设备的适应性和耐用性，一些研究采用了生物惰性弹性体（如PDMS）作为封装材料，以及具有高介电常数的聚合物（如PTFE、PFA）作为摩擦电层，以维持在周期性应变下的稳定界面。另一方面，生物可降解的US-TENGs则利用如PHBV、PEG和PLA等聚合物，其水解或酶解特性可以控制设备的功能寿命，从而实现短暂性或可吸收的医疗设备应用。

US-TENGs的未来发展依赖于对材料、结构设计和系统集成的持续优化。例如，为了实现高效的深部组织能量传输，研究人员正在探索如何通过调整材料的介电性能和机械特性来匹配超声波的阻抗，从而减少能量损失和反射。同时，为了适应体内复杂的曲面结构，US-TENGs需要具备更高的柔性和可塑性，以便在植入后不会造成机械不匹配或不适感。此外，提高US-TENGs的输出性能和稳定性，使其能够支持长期或短期的植入需求，是未来研究的重要方向。研究者还致力于开发可生物粘附的材料，使US-TENGs能够牢固地附着在生物组织上，从而提高其在生物治疗中的应用效果。

在生物医学应用中，US-TENGs被广泛用于无电池和自供电的治疗设备，如神经刺激器、伤口愈合加速装置、抗菌治疗系统和癌症治疗设备。这些设备能够在无需外部电源的情况下，通过超声波激发产生局部电刺激，从而实现治疗效果。例如，一种基于生物相容性材料的US-TENG可以产生高达18.2伏特和0.37毫安的电流，用于在体内环境中的稳定供电。此外，一些研究还探索了将US-TENGs与人工智能和机器学习算法结合的可能性，使其能够进行实时监测和数据处理，进一步提升其在智能医疗系统中的应用潜力。

在水下和环境应用方面，US-TENGs同样展现出重要的前景。由于电磁波和太阳光在水下环境中的衰减，传统WPT技术难以满足水下设备的供电需求。而US-TENGs能够有效地将超声波或声波能量转化为电能，为水下传感器、监测系统和通信设备提供可靠的能源支持。例如，一些研究开发了基于导电MXene/聚乙烯醇复合水凝胶的US-TENGs，用于治疗脑瘤，其产生的电场能够抑制肿瘤生长。此外，一些水下US-TENGs还被设计为可防水和可降解的设备，以适应长期水下监测和通信需求。

为了进一步提升US-TENGs的性能，研究人员正在探索多种材料和结构的创新设计。例如，通过引入金属-液态耦合膜，可以提高超声波能量的传输效率，同时减少由于材料刚性或毒性导致的性能限制。此外，通过设计具有可调谐共振特性的超声波接收器和发射器，US-TENGs能够在不同的频率和强度下实现更高效的能量转换。这种材料和结构的优化不仅有助于提升US-TENGs的性能，还为其在未来的多领域应用奠定了基础。

在未来的应用中，US-TENGs有望成为可充电植入式生物电子设备、自供电生物治疗系统以及水下通信和监测设备的核心技术。通过结合先进的材料科学、智能系统设计和生物相容性优化，US-TENGs可以实现更高的能量密度、更长的耐用性和更稳定的能量传输。此外，随着技术的不断进步，US-TENGs还可能被集成到更复杂的系统中，如与人工智能驱动的数据处理模块相结合，实现智能医疗系统的实时反馈和自动调节功能。

尽管US-TENGs在多个领域展现出广阔的应用前景，但仍面临一些挑战。例如，如何在保持生物相容性的同时，提高其在深部组织中的能量传输效率；如何优化材料性能，使其既具备良好的柔性和适应性，又能提供足够的输出功率；以及如何实现设备的可降解性和安全性，以避免长期植入带来的潜在风险。此外，US-TENGs的长期稳定性、结构耐用性和环境适应性也需要进一步研究和改进。

综上所述，US-TENGs作为无线能量传输技术的重要分支，正在通过材料创新、结构优化和系统集成的多重路径不断进步。其在生物医学和环境应用中的潜力不仅体现在能够提供稳定的电力支持，还在于其能够实现无电池和自供电的治疗方案，以及适应复杂水下环境的能量收集和传输能力。未来，随着研究的深入和技术的突破，US-TENGs有望成为新一代WPT系统的核心技术，推动医疗、环境监测和智能系统的发展。