"三明治"结构压电超声能量采集器：植入式生物医学电子设备的无线充电新方案

为解决植入式生物医学电子设备（IBMEs）长期供电难题，研究人员开发了"三明治"结构压电超声能量采集器（SW-PUSH）。该设计通过前后双层PUSH结构捕获穿透性超声波（RUS），在690.7 mW/cm2超声强度下实现497.47 mW/cm2的功率密度，30 mm猪组织实验中成功为60 mAh电池充电。这项突破为深部植入设备供电提供了高效解决方案。

　　

在医疗科技飞速发展的今天，植入式生物医学电子设备（IBMEs）正悄然改变着人类对抗疾病的方式。从心脏起搏器到神经刺激器，这些微型"体内医生"能够持续监测生命体征、精准释放药物甚至修复受损组织。然而，一个看似简单却长期困扰科研人员的难题始终存在——如何为这些深藏体内的电子设备持续供电？传统电池不仅体积大、寿命有限，更换还需通过高风险手术，据统计，仅心脏起搏器患者平均每6-8年就要面临一次开胸手术。

现有无线充电技术各有利弊：电磁感应（I-WPT）距离受限，射频（RF-WPT）效率低下且可能引发组织发热，而超声波无线能量传输（US-WPT）虽穿透力强，却受限于720 mW/cm²的安全阈值和微型化需求。更关键的是，传统压电超声采集器（PUSH）只能利用部分超声波能量，大量穿透器件的声波（RUS）被白白浪费，就像用漏勺接水，效率始终难以突破。

针对这一系列挑战，国内某研究机构团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表创新成果。研究人员受"三明治"结构启发，设计出双层PUSH能量采集器（SW-PUSH），其核心创新在于：前层PUSH配备匹配层（acoustic matching layer）高效捕获初始超声波，后层PUSH专门收集穿透前层的剩余声波（RUS）。通过有限元模拟（FEM）优化层厚，配合并联整流电路设计，实现了"1+1>2"的能量回收效果。

研究采用三大关键技术：1）PzFLEX软件模拟声波传播与能量转换；2）高频摄像机实时观测RUS穿透行为；3）定制化功率管理系统（PMC）整合双路直流输出。实验选用30 mm厚猪组织模拟人体环境，通过阻抗分析仪（4294A）和高速数据采集系统精确测量电学参数。

【2.1 高效PUSH结构设计】
仿真发现：匹配层使输出电压提升75%，但背衬层在连续波（CW）下会降低26%性能。高速摄像证实，无背衬层时31.5%的超声波会穿透形成RUS（图1i），这为双层设计提供了理论依据。

【2.2 SW-PUSH制备】
优化后的结构采用300 μm环氧玻璃匹配层（阻抗7.6 Mrayl），PZT-5H压电层厚2.0 mm（共振频率1 MHz）。SEM显示材料致密无缺陷（图2j-m），阻抗测试表明前后PUSH谐振特性差异（前层101Ω@1MHz，后层115Ω）。

【2.3 电学特性】
在690.7 mW/cm²超声强度下，前后PUSH分别输出100.9 V_p-p和51.7 V_p-p（图3f），功率密度达497.47 mW/cm²，较文献记录提升101%（表1）。倾斜实验显示，仰角20°时性能衰减较侧向低17%，证明非对称设计的容错优势。

【2.4 连接方式对比】
并联方案使总电流达173.8 mA（+25%），732.27 mW总功率可1.7小时充满140 mAh电池；串联虽电压叠加至70.7V，但功率反降33%，证实并联更适合实际应用（图3j-p）。

【2.5 组织穿透实验】
30 mm猪组织使输出电压衰减61%，但SW-PUSH仍能提供312.34 mW功率，1.4小时充满60 mAh电池（图5g），而单层PUSH无法完成充电，凸显RUS回收的临床价值。

这项研究通过创新性的"三明治"结构，将超声波能量利用率推向新高度。其意义不仅在于创纪录的497.47 mW/cm²功率密度，更开创了"穿透能量回收"的新范式。相比Kang等此前报道的246.93 mW/cm²系统，SW-PUSH在相同安全限制下实现翻倍性能，使IBMEs的电池容量和充电速度获得质的飞跃。未来通过柔性压电材料（如PVDF）集成和自适应阻抗匹配技术，该方案有望推动无电池植入设备的诞生，为糖尿病监测、脑机接口等长期植入场景铺平道路。正如研究者所言："这不是简单的叠加，而是对声能流动方式的重新定义。"