2014年06月17日08:46
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美國斯坦福大學2014年5月宣布開發出了新型無線供電技術。能從數厘米遠處為裝有受電天線的米粒大小心臟起搏器供電。不僅是起搏器，該技術有望使很多植入體內的治療設備不再需要又大又重的電池，也無需通過手術來為這些設備更換電池。
新款利用無線供電工作的米粒大小的起搏器（攝影：斯坦福大學）
最大能為體內10cm深處供電
開發出該技術的是斯坦福大學電子工程系助理教授Ada Poon的研究團隊。心臟起搏器的尺寸為直徑約2mm，長約5mm，卷繞了數圈的線圈形狀的受電天線收放在起搏器內部（圖1）。
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圖1：通過超小型受電天線工作 （a）是斯坦福大學開發的利用無線供電工作的、直徑2mm的心臟起搏器，（b）是供電天線，（c）是距離與受電電力的關系。（（a）由斯坦福大學拍攝，圖（b）和（c）由《日經電子》根據斯坦福大學的資料制作） |
供電天線是在6cm見方的印刷電路板上配置4個變形的十字形銅天線元件制成的。在這4個天線元件上分別布線、發送電力。無線頻率為1.6GHz。
將供電天線配置在距離體表約1cm處、合計供應500mW電力時，植入體內約6cm深處的受電元件能接收約70μW的電力，植入體內9cm深處的受電元件能接收約10μW的電力，高於最近的心臟起搏器需要的8μW電力注1）。
注1）電磁波對人體的安全性指標之一SAR（Specific Absorption Rate：比吸收率）的值約為1W/kg，低於各國的標准（1.6∼2W/kg）。
首次突破小型化壁壘
電力傳輸效率方面，供電距離為7cm時約為0.014％。雖然並不算高，但受電天線小型化到這種程度的無線供電系統以前從沒有過。因為業界之前一直認為以無線方式將電力有效送達體內深處必須使用低頻率。
介電體中的電磁場有一部分會變成快速衰減的“倏逝波”*。相對於頻率f，按照以往的計算方式，倏逝波衰減前的深度與1/f1/2成正比。越是高頻電磁場，倏逝波越容易在體表消失。在此前的開發中，為了有效利用倏逝波，一直是使用10MHz以下的低頻率（圖2）。這種情況下的最佳天線尺寸達到數m注2））。
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圖2：消除兩種要求的矛盾 按照以往的無線供電常識，在介電體中，頻率越低則無線供電的傳輸距離越長。因此，天線無法實現小型化。 |
*倏逝波：不同媒介間的表面出現的波數（k）為復數的電磁場。
注2）假設體內的相對介電常數為80左右。
斯坦福大學的Poon等人以詳細的人體模型為基礎，計算了倏逝波的衰減（圖3）。計算中加入了此前忽略的高頻位移電流*的影響。結果發現，1GHz左右的高頻電磁場抵達體內的距離最遠，這顛覆了以往的常識。這是這個發現促成了此次的開發。
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圖3：1GHz左右最佳 本圖為人體組織的模型（a）、模擬結果（b），以及頻率和受電增益的關系（c）。（(b)(c)由斯坦福大學提供）。 |
*位移電流：介電體中的分子等通過極化等引起的電場變化，相當於電流流動。作為虛數處理。
開拓無線供電新領域
Poon對於該結果還提出了其他看法，那就是此次的技術同時利用了電磁場的遠場（電磁波）和近場（圖4）。
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圖4：利用電磁場的“中間場” 本圖為電磁源周邊電磁場的差別和分類。據開發人員介紹，此次利用了“中間場”。 |
無線供電以前被明確區分為利用遠場的技術和利用近場的技術。Poon介紹說，“我們的技術使用的距離是可同時利用遠場（電磁波）和近場的最佳點，可以說是‘中間場（Mid Field）’”。
如果能在無線供電的諸多用途中巧妙利用該中間場，傳輸距離和傳輸效率等有望進一步提高。（作者：野澤 哲生，日經技術在線！供稿）
