科学家开发生物混合能量收集网发电

这项研究成果于2026年10月7日发表于《Science Advances》期刊。 研究人员表示，与传统集中式能量收集装置相比，新系统的有效能量密度提高了十倍以上。 不过，目前的成果仍处于实验室研究阶段，尚未在活体动物或人体内进行验证，也没有证明它能够独立驱动一台实际医疗植入设备。 现代医疗电子设备在改善患者生活质量方面发挥着越来越重要的作用。 人工耳蜗、神经刺激器、心脏植入设备以及部分糖尿病管理装置，都需要持续稳定的电力供应。 智能手表、智能戒指等可穿戴设备同样依赖电池运行。

电池虽然成熟可靠，却存在体积、重量和储能容量之间的矛盾。 对于植入人体的医疗设备而言，电池问题尤其突出。 科学家一直在探索利用人体自身能量为电子设备供电的方案。 人体内部存在多种可供利用的能量来源。 压电材料可以将受到挤压或拉伸时产生的机械形变转换为电荷，因此被认为是为植入式电子设备供电的一种潜在技术路线。 不过，传统压电能量收集器通常作为独立装置安装在组织表面。 马萨诸塞大学的研究团队改变了设计思路，将许多微型发电单元分散布置在柔性网状结构中，让活细胞能够生长到电子装置内部及周围。

研究人员制备了大量由锆钛酸铅（PZT）制成的细小带状结构，将这些微型压电单元整合进一层超薄、柔软的聚合物网格中，形成相互连接的能量收集网络。 网格结构留有大量开放空间，能够让活细胞穿过并在装置内部生长。 当心肌细胞收缩时，分布在网格各处的PZT带状结构受到挤压或拉伸，进而通过压电效应产生电能。 由于发电单元分布在整个网络中，系统能够在更广泛的细胞与电子结构接触区域收集机械能。 实验结果显示，新系统的有效能量密度超过现有集中式能量收集方案的十倍。 这种提升来自多个微型发电单元与细胞组织之间更加紧密的机械耦合。

另一个潜在优势是结构可以扩展。 这项技术最直接的潜在应用，是为心脏起搏器、心脏监测系统、神经刺激器以及其他低功耗生物电子设备提供辅助电力。 如果能够持续稳定地从心脏或其他组织的自然运动中收集能量，就有机会延长植入设备的工作时间，降低更换电池的频率，并减少患者再次接受手术的需要。 该技术也可能为可穿戴传感器提供新的设计思路。 不过，这些应用目前仍属于研究设想，尚未达到能够直接用于临床产品的阶段。 该装置使用的锆钛酸铅含有铅元素，如果应用于人体内部，就必须确保材料得到可靠封装，避免有害物质泄漏并影响周围组织。

因此，所谓能量密度提高十倍以上，并不意味着这套装置已经能够完全取代植入式医疗设备的电池，也不代表所有相关设备都可以立即实现免充电运行。 实验中的相对性能提升只是技术潜力的初步证明，最终能否用于临床，还取决于实际输出功率、安全性和长期可靠性。 总体而言，这项研究的重要意义，在于把能量收集器从附着在生物组织表面的独立装置，转变为能够与活细胞共同生长、随组织运动的分布式电子网络。 它为人体运动能量与电子设备之间建立更紧密的联系提供了新的工程方案。

如果后续研究能够解决材料安全、长期稳定性和实际供电能力等问题，这种生物混合网格有望成为下一代低功耗医疗植入设备的重要技术方向。