能量收集是种极具吸引力的能源方案，因为它为人们描绘了一个美好的蓝图，即取之不尽的“免费能源”。这在某些应用中已经实现，比如以振动供电的桥梁监控器就已成功投入使用。但在其他一些应用中，其成本收益率并不理想，因为成本不为零，效益也不够好。一个例子是安装了嵌入式元件将“走路的能量”转化为电能的鞋子；还有一些配备了再生制动的自行车，其重量、体积和成本都相应增加，但能够回收的能量却很少。
然而，有一种应用，能量收集可能真正成为一个亮点：为植入式医疗设备供电。一些高级研究人员正在研究如何为人体内的设备供电，如心脏起搏器或其他设备。目前大多数起搏器采用的原电池有5到10年使用寿命，不可以充电，之后需要通过手术更换电池。（请注意，非接触式无线充电蓄电池似乎是首选的可行方案，但它还存在一些重大的医疗与技术问题，因而尚未广泛使用。）
达特茅斯学院塞耶工程学院的一个研究小组与德克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心合作，开发出了一种新的方法，可以为这些医疗设备构建压电能量收集换能器。它采用了能量转换薄膜材料和微创起搏器机械设计，将连接到跳动心脏的引线的动能转换为电能，为电池持续充电。详情请参见该研究团队的论文Flexible Porous Piezoelectric Cantilever on a Pacemaker Lead for Compact Energy Harvesting。
图1：（a）多孔压电能量收集器示意图；（b）柔性多孔PVDF-TrFE薄膜；（c）扫描电子显微镜下的薄膜横截面图像。（图片来源：达特茅斯学院塞耶工程学院）
其发电材料是一种称为聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）的聚合物压电薄膜。该团队设计了一种基本的双悬臂结构，对起搏器引线进行包裹，在初始测试中使用机械振动器来模拟心肌运动以及所引起的起搏器引线变形。其最大输出为0.5V、43nA、1Hz，功率略高于20nW。如果在双悬臂尖端增加一个31.6mg的小“质量块”，则功率输出可以增加80％以上。增加的质量使弯曲曲率更大，从而使能量收集器输出的电能更高。而且还可以将多个能量收集器并联，以获取更大的输出电流。研究人员指出，当今的超低功耗可植入生物医学设备当中，心脏活动检测需要使用大约0.3μW功率，心脏起搏器需使用10到100μW，人工耳蜗需要100到2000μW，神经记录需要1到10mW。
能量收集也许并不像人们所想的那样是低成本或无成本的能量来源，但在某些情况下，根据应用的不同优先级和限制，它可能是正确的解决方案。植入式医疗电子设备的供电可能就是这些应用中的一个，它能带来实实在在的好处，面临各种挑战或困难便不值一提了。
您有没有用过能够回收能量的商用产品？您从严酷的现实中得到的最难忘的教训是什么——好坏参半？
本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。
最前沿的电子设计资讯
