最近，萊斯大學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動的能量捕獲和轉換設備。研究人員利用這種能量來驅動神經刺激器產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。

工程師習慣處理各種“效應”，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和趨膚效應，鮮為人知的有柯恩達效應。無論是哪種效應，這些基于物理學的現象通常是設計傳感器、特殊材料和一些獨特功能的理論基礎。

最近，萊斯大學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動的能量捕獲和轉換設備。它不會受人體組織影響而產生較大衰減，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動神經刺激器產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的物理現象：磁致伸縮效應（磁性材料的一種特性，在磁化過程中形狀或尺寸發生改變）和壓電效應，可以將磁場轉換為電場和電壓。

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生電壓，而不是通過植入線圈產生電壓。變化的外部磁場在磁致伸縮層中產生應力，該應力繼而作用在壓電層上以產生電壓。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刺激；（b）共振響應曲線顯示，當磁場頻率在171kHz與聲學共振匹配時，會產生最大電壓；（c）使用永磁體的器件測試裝置會產生偏置場，電磁線圈則會產生交變磁場。（圖片來源：萊斯大學）

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生恒定偏置場。由于磁致伸縮材料中的應力是磁場強度的S形函數，因此當磁場在S形的中點附近振蕩時，交變磁場產生的電壓變化最大（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）

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

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？你當時必須解決且最后確實解決了哪些問題？

編輯：hfy