醫(yī)用壓電俘能技術(shù)的研究綜述

宋汝君，馬宏洋，馬麗麗，張國(guó)強(qiáng)

（1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.淄博市市級(jí)機(jī)關(guān)醫(yī)院，山東 淄博 255000；3.沂源縣悅莊中心衛(wèi)生院，山東 淄博 256100）

1 引言

隨著醫(yī)療和健康管理的發(fā)展，便攜式、植入式傳感檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但其難以持續(xù)供能的問(wèn)題是制約醫(yī)用傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展重要因素。對(duì)于便攜式傳感系統(tǒng)，特別是身體植入式器件的供能問(wèn)題，往往以電池、電子作為主要供能源，但由于電子、電池的電量存儲(chǔ)有限，需要定期更換，存在對(duì)病人二次/多次傷害，存在嚴(yán)重的弊端。因此，亟需一種持續(xù)有效、綠色環(huán)保、壽命長(zhǎng)久、價(jià)格低廉的供能方式，其中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的壓電俘能方式可有效解決此問(wèn)題。壓電俘能器是將環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，可長(zhǎng)期有效的供給低能耗電子產(chǎn)品/系統(tǒng)[2]。

鑒于此，基于壓電俘能技術(shù)，對(duì)醫(yī)用自供能技術(shù)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景進(jìn)行綜述分析，為醫(yī)用壓電設(shè)備自供能技術(shù)的研究提供一定的理論和技術(shù)支持。

2 壓電俘能技術(shù)的基本原理

壓電能量采集裝置稱(chēng)之為壓電俘能器，其工作原理是當(dāng)壓電材料沿極化方向受到外力作用時(shí)，受正壓電效應(yīng)影響，在電極表面產(chǎn)生電荷，電荷聚集而產(chǎn)生電壓。影響壓電俘能器性能的主要參數(shù)是壓電材料的壓電常數(shù)dij（i=1，2，3；j=1，2，3，4，5，6），表征應(yīng)力和電荷的關(guān)系。當(dāng)發(fā)生正壓電效應(yīng)時(shí)，壓電晶體產(chǎn)生的電荷和應(yīng)力成正比，其電位移D 與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系表示為：

式中：dmi—壓電應(yīng)變常數(shù)；emj—壓電應(yīng)力常數(shù)；Ti—應(yīng)力；Sj—應(yīng)變。

壓電俘能器的工作模式主要有d31、d33和d15。d31工作模式為應(yīng)變方向與極化方向垂直；d33工作模式為應(yīng)變方向與極化方向相同，而d15工作模式為平行于電場(chǎng)平面內(nèi)的面內(nèi)剪切變形。研究壓電俘能器的基礎(chǔ)是壓電方程組，一般選擇電位移D 和應(yīng)力T 為因變量，應(yīng)變S 和電場(chǎng)強(qiáng)度E 為自變量，響應(yīng)的壓電方程組為[3]：

3 壓電俘能技術(shù)在醫(yī)療中的研究現(xiàn)狀

人體每天的自主和非自主運(yùn)動(dòng)均能產(chǎn)生大量的能量，如：走路、擺臂、呼吸、心跳等等。研究表明：一個(gè)68 公斤的成年人的足部行走可產(chǎn)生約為67W 的能量[4]，只要能夠轉(zhuǎn)換人體運(yùn)動(dòng)1%的能量就可為身體攜帶的電子設(shè)備供電。壓電俘能器可將周?chē)恼駝?dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，在一些特殊的場(chǎng)合（如：體內(nèi)）可以替代電池、電子，為醫(yī)用電子器件持久有效的供能。同時(shí)，考慮使用便捷性、舒適性，對(duì)于醫(yī)用壓電俘能器的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿(mǎn)足微型化和高效性，減少對(duì)人體的傷害。

3.1 壓電材料的影響

壓電材料是決定壓電俘能器的發(fā)電性能的最重要因素，目前主要的壓電材料有壓電陶瓷系列、有機(jī)聚合物PVDF 家族，以及氧化鋅納米線(xiàn)等新型壓電材料。其中氧化鋅納米線(xiàn)柔性大，制作工藝簡(jiǎn)單，常用作制備柔性壓電俘能器。Lee et al 研制了一種由氧化鋅納米線(xiàn)薄膜制成的柔性壓電俘能器，該俘能器可置于醫(yī)用注射器內(nèi)，其工作時(shí)可產(chǎn)生3.2V 的開(kāi)路電壓；同時(shí)該壓電俘能器可作為自供能脈搏傳感器工作，在醫(yī)療領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[5]。

另一種常用柔性壓電材料為PVDF 及其P（VDF-TrFe）等聚合物材料，同樣因其具有良好的柔性和機(jī)械韌性，在自供能柔性可穿戴電子設(shè)備方面具有巨大潛力。Persano et al 研制的P（VDFTrFe）壓電纖維柔性俘能器，研究發(fā)現(xiàn)，該俘能器在形變頻率為10Hz 時(shí)可產(chǎn)生5μV 的電壓[6]，如圖1 所示。該壓電俘能器的低頻發(fā)電特性適合人體振動(dòng)能的收集，可滿(mǎn)足對(duì)可穿戴醫(yī)用低能耗設(shè)備的能量供給。值得注意的是，氧化鋅納米線(xiàn)和壓電聚合物材料雖柔性大，但壓電常數(shù)較低；PZT 雖具有較高的壓電常數(shù)，但PZT脆性高，常采用柔性襯底（PET）與PZT 纖維結(jié)合制備柔性壓電俘能器，例如：Park et al 以PZT 為壓電材料研制的柔性壓電俘能器可在手指彎曲一個(gè)有效面積（3.5*3.5cm）內(nèi)產(chǎn)生峰值為8μA 的電流，一個(gè)手指的彎曲動(dòng)作產(chǎn)生的電量可點(diǎn)亮105 個(gè)LED[7]。隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，介電彈性聚合物材料發(fā)電也得到了學(xué)者的重視。密歇根州立大學(xué)研制的鐵電駐極體納米發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)由聚丙烯鐵電駐極體、聚酰亞胺、銀和硅晶片通過(guò)納米技術(shù)研制，具有良好的生物相容性，可以像紙張一樣彎曲，形成不同形狀的微型發(fā)電機(jī)，可將人體運(yùn)動(dòng)或者觸壓的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，實(shí)驗(yàn)測(cè)試可產(chǎn)生1.5V 的電壓和0.1μA 的電流；在手指觸壓下，該發(fā)電機(jī)可點(diǎn)亮20 個(gè)LED 二極管，如圖2 所示[8]。由于介電彈性聚合物是由介電材料和有機(jī)聚合物疊堆黏合而成，相比于傳統(tǒng)的壓電材料，具有良好的低頻發(fā)電性能，可滿(mǎn)足人體的低頻振動(dòng)環(huán)境發(fā)電[9-10]。

圖1 P（VDF-TrFe）柔性纖維壓電俘能器[6]Fig.1 Flexible Fiber PEH of P（VDF-TrFe）[6]

圖2 鐵電駐極體發(fā)電機(jī)的性能Fig.2 Performance of Polypropylene Ferroelectret

3.2 面向人體運(yùn)動(dòng)的壓電俘能器

該類(lèi)壓電俘能器主要收集人體自主運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能，并轉(zhuǎn)化成電能為便攜式或植入式醫(yī)用設(shè)備供電。例如：1998 年MIT媒體實(shí)驗(yàn)室工作組開(kāi)展收集人步行時(shí)腳底產(chǎn)生的能量，其實(shí)驗(yàn)裝置為：在足底安裝壓電片，步行時(shí)人體對(duì)鞋底產(chǎn)生的壓力引起壓電片的變形而發(fā)電，實(shí)現(xiàn)給EFID 提供工作電能[11]。2004 年，學(xué)者設(shè)計(jì)出壓電供能的膝蓋骨檢測(cè)集成微型傳感系統(tǒng)，該設(shè)備通過(guò)手術(shù)植入膝蓋內(nèi)部，利用步行時(shí)人體膝蓋間的正壓力驅(qū)動(dòng)壓電體變形，產(chǎn)生電量為植入醫(yī)用設(shè)備供能[12]，如圖3 所示。

圖3 自供能全膝關(guān)節(jié)Fig.3 Self-Powered Total Knee

3.3 面向自主運(yùn)動(dòng)的壓電俘能器

該類(lèi)壓電俘能器主要是收集人體自身的自主運(yùn)動(dòng)（如心跳、肺和橫膈膜的收縮等）的動(dòng)能為電能。心臟的跳動(dòng)可產(chǎn)生機(jī)械能，通過(guò)壓電俘能器可將心臟動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，為此，學(xué)者提出了一種從心臟運(yùn)動(dòng)中獲取能量的策略。例如：2013 年提出了一種微型壓電發(fā)電裝置，該裝置置于心臟中，利用血液流動(dòng)的壓力產(chǎn)生振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在最優(yōu)構(gòu)型設(shè)計(jì)下，在1.5Hz 頻率下的能量密度為4.15μW/cm3[13]，如圖4 所示。2015 年，提出了一種基于鉛鋯鈦酸鉛（PZT）的超柔性壓電裝置。在豬體內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，當(dāng)超柔性壓電俘能器從左室端到右心室時(shí)，峰值電壓可達(dá)3V，這也證明了收集人體心臟運(yùn)動(dòng)的生物動(dòng)力學(xué)能量為植入式設(shè)備可持續(xù)供能的可行性[14]。

圖4 血壓壓電俘能器Fig.4 PEH with Blood Pressure

此外，利用PMN-PT 壓電材料可研制高效的微型柔性壓電俘能器。避免產(chǎn)生機(jī)械損傷，通過(guò)將PMN-PT 轉(zhuǎn)移至PET 襯底制成壓電俘能器，研究發(fā)現(xiàn)該俘能器可產(chǎn)生8.2V 的最大電壓和145μA 的最大電流，能點(diǎn)亮50 個(gè)LED，可為心臟起搏器供電，實(shí)現(xiàn)心臟起搏器自供能[15]，如圖5 所示。

圖5 PMN-PT 柔性壓電俘能器Fig.5 Flexible PEH Using PMN-PT

除了心臟本身跳動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械能之外，肺和橫膈膜的自然收縮和放松運(yùn)動(dòng)也可實(shí)現(xiàn)高效的機(jī)械-電能轉(zhuǎn)換。學(xué)者在不同的動(dòng)物模型中演示，用整流器和微型電池組成的這種能量收集元件的綜合使用，提供了一個(gè)完整的靈活系統(tǒng)，能夠通過(guò)醫(yī)療縫合和操作，使其能夠與跳動(dòng)的心臟進(jìn)行有效的整合，并提高2%的效率，并為起搏器的操作提供足夠的動(dòng)力輸出[16]，如圖6 所示。

圖6 肺動(dòng)能壓電俘能器Fig.6 PEH Using Lung Kinetic Energy

4 醫(yī)用壓電自供能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

為了滿(mǎn)足醫(yī)用微型設(shè)備的自供能要求，醫(yī)用壓電俘能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。醫(yī)用壓電俘能器可將人體的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能為醫(yī)用微型設(shè)備供電，解決電池、電子等儲(chǔ)能源的弊端，為自供能便攜式和植入式醫(yī)用設(shè)備的發(fā)展提供了重要支持，具有巨大的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。然而，目前的研究尚不成熟，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需在以下幾個(gè)方面加大研究力度：（1）高性能的柔性壓電材料。壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力決定著壓電俘能器的發(fā)電性能，目前的壓電材料中，柔性壓電材料的壓電常數(shù)普遍較低，嚴(yán)重影響了俘能器的性能。因此，研制高性能的柔性壓電材料是提高醫(yī)用俘能器發(fā)電性能的重要途徑。（2）對(duì)于面向人體運(yùn)動(dòng)（如：走路時(shí)的鞋底沖擊振動(dòng)、膝關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)、擺臂運(yùn)動(dòng)、手指彎曲和擠壓運(yùn)動(dòng)等）的壓電俘能器的激勵(lì)模式主要以低頻載荷為主。因此，面向人體運(yùn)動(dòng)的低頻重載荷壓電俘能器是未來(lái)的重要研究方向。（3）對(duì)于面向自主運(yùn)動(dòng)的壓電俘能器，應(yīng)著重考慮便捷性和安全性，應(yīng)滿(mǎn)足微型化和低頻高效性，以提高俘能性能和減少對(duì)人體的傷害。因此，醫(yī)用壓電俘能器的微型化和低頻高效化是未來(lái)的重要研究方向。（4）穩(wěn)定高效的電路系統(tǒng)。目前的研究重點(diǎn)集中在醫(yī)用俘能器本身，而人體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的電信號(hào)復(fù)雜多變，穩(wěn)定高效的后處理電路系統(tǒng)是俘能器與醫(yī)用設(shè)備的橋梁，是自供能醫(yī)用設(shè)備系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是未來(lái)重要的研究方向。

5 結(jié)論

對(duì)壓電自供能技術(shù)在醫(yī)療中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析了醫(yī)用壓電俘能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用環(huán)境和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前醫(yī)用壓電俘能器的研究主要面向人體運(yùn)動(dòng)（走路、擺臂等）和自主運(yùn)動(dòng)（心跳、呼吸等）展開(kāi)?？偨Y(jié)分析目前的研究現(xiàn)狀，今后的主要工作重心應(yīng)集中在高性能壓電材料、低頻重載荷俘能器、低頻高效的微型俘能器和穩(wěn)定高效的電路系統(tǒng)等方面，以研制微型化和高效性的醫(yī)用俘能器，滿(mǎn)足便攜式和植入式醫(yī)用設(shè)備持久穩(wěn)定、安全高效的自供能需求。