基于电磁与热安全限制的胶囊机器人无线能量传输系统设计与优化

本文针对胶囊机器人(CR)在消化道诊疗中的无线能量传输(WPT)系统进行创新设计，通过有限元仿真和实验验证，提出了一种基于三维发射系统的一维接收线圈(RC)优化方案。研究解决了传统3D RC空间占用过大问题，在保证电磁场(EMF)安全性和热安全性（最高温度41.8°C）的前提下，实现了3.61A的安全传输电流，为CR的体内应用提供了可靠的能量解决方案。

　　

Highlight亮点

本研究突破性地将16股104匝的一维接收线圈(RC)集成至尺蠖式胶囊机器人，在10分钟持续运动中温度仅41.8°C，中心点安全传输电流达3.61A。多维发射系统有效缩小了RC体积，同时通过优化的绕组参数控制产热，验证了体内实验的可行性。

Design of the WPT system 无线能量传输系统设计

系统设计遵循胶囊机器人(CR)应用的严苛限制：在设备尺寸、最小功率需求、电磁场(EMF)与热安全之间取得平衡。创新采用三维发射线圈(TC)配合一维接收线圈(RC)，通过利兹线(Litz wire)绕制降低集肤效应，锰锌铁氧体(R6K)磁芯局部增强磁场密度，提升耦合系数_k。

Simulation analysis 仿真分析

有限元模拟显示，新型3D发射系统产生的磁场均匀性满足安全标准。当发射电流达4A时，比吸收率(SAR)仍低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)限值，肠道组织内电场强度维持在安全阈值内。

Experimental platform 实验平台

搭建的实物平台包含按表1参数绕制的PVC骨架TC，以及表2所示不同股数/匝数的RC原型（图5）。锰锌铁氧体磁芯使RC品质因数Q值提升37%，实测在3MHz工作频率下，功率传输效率(PTE)峰值达68%。

PTE and EMF safety test experiment 效率与安全测试

直流测试中，16股线径的RC温升较8股方案降低42%；交流环境下，104匝线圈在3.61A电流时仍保持41.8°C的安全温度，同时满足国际标准IEEE C95.1-2019对植入设备的EMF暴露限制。

Conclusion 结论

该研究为消化道胶囊机器人提供了兼顾微型化与安全性的无线供能方案：16股104匝的一维RC配合三维TC系统，在保证功率传输稳定性(PTS)的同时，将热积累控制在临床安全范围内，突破传统3D接收线圈的空间限制，为主动运动型CR的临床应用铺平道路。