自驱动植入式能源收集器件的研究进展

李 舟 李 喆 刘儒平

1(中国科学院北京纳米能源与系统研究所 北京 100083)

2(中国科学院大学纳米科学与技术学院 北京 100083)

3(北京印刷学院印刷包装工程学院 北京 102600)

1 引 言

目前，包括心脏起搏器、除颤器、深部脑刺激器和人工耳蜗在内的大多数植入式医疗电子器件(Implanted Medical Electronics，IMEs)均由电池供电。然而，电池容量限制了 IMEs 的使用寿命。例如，心脏起搏器的寿命约为 7～10 年，而深度脑刺激器的寿命仅为 3～5 年[1-2]。定期更换这些电源不仅会引起环境污染，而且还会增加患者的经济负担和精神负担。另外，电池也占据植入式电子器件大部分的重量和体积。因此，近年来，研究人员将主要工作聚焦在提高电池寿命、降低 IMEs 中能量收集部分的重量和体积[3-4]。

能源收集(Energy Harvesters)器件是一种可以收集生物机械能、热能或化学能的电子器件。它能够将收集到的能量转化为电能。现有的能源收集器件主要有压电式纳米发电机(Pizoelectric Nanogenerator，PENG)、摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，TENG)、光伏电池(Photovoltaic Cells，PVC)、自驱动腕表(Automatic Wristwatch，AW)、热释电发电机(Pyroelectric Nanogenerator，PYENG)、生物燃料电池(Biofuel Cell，BFC)和耳蜗内电位(Endocochlear Potential，EP)收集器等。人体运动的机械能和体内的化学能，如心跳、呼吸、血液循环和葡萄糖的氧化还原等，都具有转化为电能的潜力。因此，可以制作植入式能源收集器件(Implantable Energy Harvesters，IEHs)收集人体能量。

众所周知，人体可产生大量机械能。例如，心脏输出功率约为 1.4 W[5]。如果可以将心脏收缩和舒张产生的机械能收集起来，并用于驱动心脏起搏器，那么上述电池续航不足的问题将可得到解决。除了心脏跳动产生的能量以外，肺的运动以及升主动脉的收缩/舒张变形也可作为生物的体内能量来源。……