胰島素泵、起搏器和植入式助聽器等電子設(shè)備越來越多地用于植入式醫(yī)療設(shè)備，與此同時(shí)，為此類設(shè)備進(jìn)行無線、遠(yuǎn)距離充電的需求也日益增加。日前，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）和沙特國王本阿卜杜勒阿齊茲健康科學(xué)大學(xué)（King Saud bin?Abdulaziz University for HealthSciences）的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，首次研制出可用于對(duì)植入電子器件進(jìn)行超聲充電的水凝膠。這一突破性進(jìn)展將大大降低為這些設(shè)備的電池進(jìn)行充電所需的侵入性手術(shù)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)工作以“Ultrasound-Driven Two-Dimensional Ti3C2Tx MXene Hydrogel Generator”發(fā)表在《ACS Nano》。
超聲波是一種很少被利用的環(huán)境能源。目前獲得超聲能量的方法主要是基于壓電效應(yīng)和摩擦起電效應(yīng)的機(jī)理，利用這兩種方法獲取能量需要特殊的材料，并且需要對(duì)器件幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，從而讓材料產(chǎn)生足夠的機(jī)械位移，將聲能轉(zhuǎn)化為電能。與目前植入式超聲波能量采集器的采集方法不同，該團(tuán)隊(duì)的超聲發(fā)電水凝膠進(jìn)行聲能轉(zhuǎn)換是基于一種電聲現(xiàn)象：流激振動(dòng)勢(shì)，同時(shí)還開創(chuàng)性的與摩擦生電這一簡(jiǎn)單物理效應(yīng)進(jìn)行耦合，進(jìn)一步提高了該水凝膠的發(fā)電輸出功率。
機(jī)理：
MXenes是一種二維陶瓷材料，通式為Mn+1XnTx（M，X，Tx代表過渡金屬元素、碳和氮）與大多數(shù)二維陶瓷材料不同，由過渡金屬（如鈦）的碳化物和氮化物制成的分子片使得MXenes具有良好導(dǎo)電性和優(yōu)良的體積電容，目前MXenes材料已經(jīng)在儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)器件，光電子等領(lǐng)域有所應(yīng)用。
該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)MXenes和聚乙烯醇（PVA）混合可以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠（M-凝膠），即M-凝膠可以被認(rèn)為是一種充滿水的多孔體，如圖2a所示。所制備的MXene基水凝膠（M-凝膠）不僅力學(xué)性能有大幅度提高，還具有非對(duì)稱應(yīng)變敏感性。壓力驅(qū)動(dòng)流可以將雙電層（EDL）中多余的反離子拖到帶電表面附近，產(chǎn)生流動(dòng)電流，在沒有外部平衡負(fù)載的情況下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)流動(dòng)電位來平衡流動(dòng)電流。這種由超聲波產(chǎn)生的電勢(shì)的就是流激振動(dòng)勢(shì)。流激振動(dòng)勢(shì)通常在在微通道、纖維和多孔膜中產(chǎn)生。
圖2：M-凝膠產(chǎn)生電壓現(xiàn)象的機(jī)理。（a）示意圖顯示了在Ti3C2Tx-MXene-PVA水凝膠中雙電層（EDL）的形成。（b）使用不同厚度的介質(zhì)(eco-flex)，M-凝膠輸出電壓隨H2SO4?質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。（c）超聲波驅(qū)動(dòng)的M-凝膠電信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制示意圖。
研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了兩個(gè)對(duì)比模型，來研究機(jī)械摩擦是否有助于提升該凝膠裝置的發(fā)電功率。如圖3所示。
圖3，對(duì)比模型實(shí)驗(yàn)研究摩擦帶電的影響：（a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其中超聲波應(yīng)用于尼龍（Nylon）和共聚酯(Eco-flex)堆疊層，以10Hz的頻率振動(dòng)。（b）實(shí)驗(yàn)的輸出電壓如（a）和（c）所示。（d）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其中超聲波應(yīng)用于M-凝膠層，振動(dòng)器在尼龍（Nylon）和共聚酯(Eco-flex)層上振動(dòng)。（e）實(shí)驗(yàn)的輸出電壓如（e）和（f）所示。
該對(duì)比模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明在M-凝膠發(fā)電材料中，超聲波可以引起摩擦帶電并產(chǎn)生靜電場(chǎng)，在靜電場(chǎng)作用下，M-凝膠發(fā)電材料產(chǎn)生的電壓可以得到明顯提高。
工作性能：
在實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，可看出M-凝膠發(fā)電材料具有高輸出功率和高轉(zhuǎn)換效率，具有應(yīng)用于可持續(xù)清潔電源的潛力，實(shí)驗(yàn)演示如圖4所示。發(fā)電產(chǎn)生的整流電壓高于6V（圖4b）。當(dāng)一個(gè)電容器（100uF）連接到電路上時(shí)，電容器的電壓在60s內(nèi)增加到1.68 V（圖4c），平均充電速率為2.8μC/s。M-凝膠發(fā)電材料產(chǎn)生的電力足以連續(xù)驅(qū)動(dòng)普通電器，如濕度計(jì)（圖4d）。為了測(cè)試發(fā)生器在體內(nèi)應(yīng)用的可行性，我們將增強(qiáng)型M-凝膠發(fā)電材料插入一塊厚度與植入裝置相關(guān)的新鮮牛肉中（圖4e、f）。在負(fù)載電阻為10MΩ和100KΩ時(shí)，M-凝膠發(fā)電材料的輸出信號(hào)分別為～4.5V和14.4μA（圖4g，h）。除了實(shí)驗(yàn)室使用的超聲波探頭，該發(fā)生器還可以從普通醫(yī)用超聲探頭中獲取超聲能量，用于成像和物理治療（圖4i）。在使用成像探頭的情況下，可以觀察到～5 V電壓輸出（圖4J）。
圖4凝膠發(fā)電器的應(yīng)用：（a）用于實(shí)際應(yīng)用的M-凝膠發(fā)電器電路圖。（b）凝膠發(fā)電器的整流電壓輸出。（c）與電路相連的電容器（100μF）的充電曲線。（d）由凝膠發(fā)電器供電的電濕度計(jì)照片。（e）將凝膠發(fā)電器封裝在一塊牛肉內(nèi)和（f）測(cè)量裝置。（g）牛肉片內(nèi)的凝膠發(fā)電器產(chǎn)生的電壓和（h）電流。電壓和電流測(cè)量分別使用10 MΩ和100 kΩ的負(fù)載電阻。（i）照片顯示了凝膠發(fā)電器的超聲波能量收集行為，使用醫(yī)學(xué)超聲探頭進(jìn)行。（j）利用醫(yī)用超聲探頭，凝膠發(fā)電器輸出相應(yīng)的電壓。（k）超聲感應(yīng)電壓輸出測(cè)量為超聲波尖端和發(fā)生器之間介質(zhì)厚度的函數(shù)。
亮點(diǎn)小結(jié)：
這是首次證明水凝膠可以從普通超聲探頭中獲取超聲能量。這種材料制造成本低廉，制造過程簡(jiǎn)單明了，新的材料和設(shè)備可以基于這些充電機(jī)制，從而產(chǎn)生更高效的超聲波采集設(shè)備。主要應(yīng)用于植入式設(shè)備的遠(yuǎn)程充電，這項(xiàng)技術(shù)的有效性和低成本，意味著有起搏器或神經(jīng)刺激器的患者可以避免進(jìn)行侵入性手術(shù)來更換電池，而只需一個(gè)超聲波探頭就可以遠(yuǎn)程充電。
