为医疗设备构建基于压电的采集传感器的能量收集方案

能量收集是一种非常有吸引力的电源选择，因为起初它似乎提供了永无止境的“一无所有”的承诺。在某些情况下，它可以兑现承诺，例如，已成功用于振动供电的桥梁监控器中。在其他情况下，成本/收益比并不吸引人（尽管“嗡嗡声”因子很高），因为成本不为零且收益微不足道：想想带有嵌入式组件的鞋子，它们将“步进能量”转化为电能，或者即使是带有再生制动器的自行车，也增加了重量，体积和成本，但回收的能量却很少。

但是，在某个地方，收获可能真正成为一个成功（或可赢得）的主张：为植入的医疗设备供电，并且一些高级研究人员正在体内寻找对心脏起搏器和其他设备等设备供电的动力。目前，大多数起搏器都使用具有5至10年寿命的原代（不可充电）细胞，之后需要进行手术以进行更换。（请注意，使用可充电二次电池和无接触无线充电的声音听起来像是可行的，因此是一种较好的选择，但是仍然存在主要的医学和技术问题，这些问题仍然阻碍了广泛采用。）

达特茅斯学院Thayer工程学院的研究团队与UT Health San Antonio（德克萨斯大学的一部分）合作，开发了一种新的方式来为这些医疗设备构建基于压电的采集传感器。他们将薄膜能量转换材料与微创起搏器机械设计结合使用，如论文“用于紧凑型能量收集的起搏器引线上的柔性多孔压电悬臂梁”所述。他们利用了连接到跳动的心脏上的导线的动能，然后将其转换为电能，从而为电池连续充电（图1）。

图1（a）是多孔压电能量收集器的示意图。（b）柔性多孔PVDF-TrFE薄膜；（c）薄膜横截面的扫描电子显微镜图像。（来源：达特茅斯学院塞耶工程学院）

发电材料是称为聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）的聚合物压电膜。该团队创建了一个基本的双悬臂结构，将其包裹在起搏器的导线周围，并使用机械振荡器进行了初始测试，以模拟心肌的运动以及起搏器导线的相应变形。最大输出为1 Hz时43 nA时为0.5 V，略高于20 nW。通过在双悬臂式尖端的顶端增加一个31.6 mg的小的“标准质量”，他们能够将功率输出提高80％以上。增加的质量使弯曲曲率更大，从而导致收割机的电输出更高。此外，可以并联多个采集器以获得更大的输出电流。

收获可能不是某些人说的那样低成本或无成本的能源，但是在某些情况下，由于应用程序的优先级和限制，它可能是正确的解决方案。植入式医疗电子设备的供电可能成为这些领域中真正的益处无法克服的领域之一。

您是否曾经在商业产品中使用过能量收集？残酷的经验现实给我们留下了最深刻的印象-好的和坏的？

Bill Schweber是一位EE，他撰写了三本教科书，数百篇技术文章，观点专栏和产品功能。

编辑：hfy