最近，萊斯大學(xué)的一個研究小組制作并測試了他們稱為第一臺由外部磁場驅(qū)動的能量捕獲和轉(zhuǎn)換設(shè)備。研究人員利用這種能量來驅(qū)動神經(jīng)刺激器產(chǎn)生不同的波形和模式，用于治療帕金森氏癥、抑郁癥、疼痛和強迫癥。

工程師習(xí)慣處理各種“效應(yīng)”，其中一些眾所周知，另一些則鮮為人知。例如，眾所周知的有壓電效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，鮮為人知的有柯恩達效應(yīng)。無論是哪種效應(yīng)，這些基于物理學(xué)的現(xiàn)象通常是設(shè)計傳感器、特殊材料和一些獨特功能的理論基礎(chǔ)。

最近，萊斯大學(xué)的一個研究小組制作并測試了他們稱為第一臺由外部磁場驅(qū)動的能量捕獲和轉(zhuǎn)換設(shè)備。它不會受人體組織影響而產(chǎn)生較大衰減，可避免在使用RF、超聲波、光甚至電磁線圈時出現(xiàn)人體吸收的問題以及空氣、骨骼和身體組織交界處的阻抗差異。

研究人員利用這種能量來驅(qū)動神經(jīng)刺激器產(chǎn)生不同的波形和模式，用于治療帕金森氏癥、抑郁癥、疼痛和強迫癥。

能量傳遞裝置實際上利用了兩種不相關(guān)的物理現(xiàn)象：磁致伸縮效應(yīng)（磁性材料的一種特性，在磁化過程中形狀或尺寸發(fā)生改變）和壓電效應(yīng)，可以將磁場轉(zhuǎn)換為電場和電壓。

該研究小組使用了一種材料，通過薄膜的磁致伸縮層和壓電層之間的機械耦合來產(chǎn)生電壓，而不是通過植入線圈產(chǎn)生電壓。變化的外部磁場在磁致伸縮層中產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力繼而作用在壓電層上以產(chǎn)生電壓。組合磁電子（ME）器件可由大約幾毫特斯拉的弱磁場驅(qū)動，如圖1所示。

圖1：（a）使用磁致伸縮器件對自由活動的小鼠進行無線神經(jīng)刺激；（b）共振響應(yīng)曲線顯示，當(dāng)磁場頻率在171kHz與聲學(xué)共振匹配時，會產(chǎn)生最大電壓；（c）使用永磁體的器件測試裝置會產(chǎn)生偏置場，電磁線圈則會產(chǎn)生交變磁場。（圖片來源：萊斯大學(xué)）

為了提高能量傳遞效率，研究人員還使用永磁體或電磁體來產(chǎn)生恒定偏置場。由于磁致伸縮材料中的應(yīng)力是磁場強度的S形函數(shù)，因此當(dāng)磁場在S形的中點附近振蕩時，交變磁場產(chǎn)生的電壓變化最大（圖2）。

圖2：磁致伸縮薄膜的輸出電壓與偏置場的關(guān)系。適度的磁偏置場會顯著增加最大共振電壓。（圖片來源：萊斯大學(xué)）

研究人員已將電源和刺激器一起植入嚙齒動物的大腦中，以調(diào)用各種類型的神經(jīng)刺激來對其進行測試。整個單元——電源子系統(tǒng)和神經(jīng)刺激器——比一顆米粒還要小，必須完全定制。一篇詳細(xì)而明晰的論文“Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies”（應(yīng)用于治療頻率微型無線神經(jīng)刺激器的磁電材料）已在Neuron（神經(jīng)元）期刊上發(fā)表，生動地解釋了替代性能量傳遞技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)。

這是能量傳遞還是能量收集？由于外部磁場并不是“自然存在”的，不能就地使用，所以我不確定它算不算真正的收集。從另一個角度來看，它當(dāng)然具有收集的某些屬性，至少在概念上如此。我們且把它稱做能量傳遞與收集的結(jié)合吧。

你是否曾使用過一種可以視為能量收集的方案，但實際上更像是一種獨特的能量傳遞技術(shù)？你當(dāng)時必須解決且最后確實解決了哪些問題？

編輯：hfy