2014年06月17日08:46
【新闻链接】
美国斯坦福大学2014年5月宣布开发出了新型无线供电技术。能从数厘米远处为装有受电天线的米粒大小心脏起搏器供电。不仅是起搏器，该技术有望使很多植入体内的治疗设备不再需要又大又重的电池，也无需通过手术来为这些设备更换电池。
新款利用无线供电工作的米粒大小的起搏器（摄影：斯坦福大学）
最大能为体内10cm深处供电
开发出该技术的是斯坦福大学电子工程系助理教授Ada Poon的研究团队。心脏起搏器的尺寸为直径约2mm，长约5mm，卷绕了数圈的线圈形状的受电天线收放在起搏器内部（图1）。
 |
|
图1：通过超小型受电天线工作 （a）是斯坦福大学开发的利用无线供电工作的、直径2mm的心脏起搏器，（b）是供电天线，（c）是距离与受电电力的关系。（（a）由斯坦福大学拍摄，图（b）和（c）由《日经电子》根据斯坦福大学的资料制作） |
供电天线是在6cm见方的印刷电路板上配置4个变形的十字形铜天线元件制成的。在这4个天线元件上分别布线、发送电力。无线频率为1.6GHz。
将供电天线配置在距离体表约1cm处、合计供应500mW电力时，植入体内约6cm深处的受电元件能接收约70μW的电力，植入体内9cm深处的受电元件能接收约10μW的电力，高于最近的心脏起搏器需要的8μW电力注1）。
注1）电磁波对人体的安全性指标之一SAR（Specific Absorption Rate：比吸收率）的值约为1W/kg，低于各国的标准（1.6～2W/kg）。
首次突破小型化壁垒
电力传输效率方面，供电距离为7cm时约为0.014％。虽然并不算高，但受电天线小型化到这种程度的无线供电系统以前从没有过。因为业界之前一直认为以无线方式将电力有效送达体内深处必须使用低频率。
介电体中的电磁场有一部分会变成快速衰减的“倏逝波”*。相对于频率f，按照以往的计算方式，倏逝波衰减前的深度与1/f1/2成正比。越是高频电磁场，倏逝波越容易在体表消失。在此前的开发中，为了有效利用倏逝波，一直是使用10MHz以下的低频率（图2）。这种情况下的最佳天线尺寸达到数m注2））。
 |
|
图2：消除两种要求的矛盾 按照以往的无线供电常识，在介电体中，频率越低则无线供电的传输距离越长。因此，天线无法实现小型化。 |
*倏逝波：不同媒介间的表面出现的波数（k）为复数的电磁场。
注2）假设体内的相对介电常数为80左右。
斯坦福大学的Poon等人以详细的人体模型为基础，计算了倏逝波的衰减（图3）。计算中加入了此前忽略的高频位移电流*的影响。结果发现，1GHz左右的高频电磁场抵达体内的距离最远，这颠覆了以往的常识。这是这个发现促成了此次的开发。
 |
|
图3：1GHz左右最佳 本图为人体组织的模型（a）、模拟结果（b），以及频率和受电增益的关系（c）。（(b)(c)由斯坦福大学提供）。 |
*位移电流：介电体中的分子等通过极化等引起的电场变化，相当于电流流动。作为虚数处理。
开拓无线供电新领域
Poon对于该结果还提出了其他看法，那就是此次的技术同时利用了电磁场的远场（电磁波）和近场（图4）。
 |
|
图4：利用电磁场的“中间场” 本图为电磁源周边电磁场的差别和分类。据开发人员介绍，此次利用了“中间场”。 |
无线供电以前被明确区分为利用远场的技术和利用近场的技术。Poon介绍说，“我们的技术使用的距离是可同时利用远场（电磁波）和近场的最佳点，可以说是‘中间场（Mid Field）’”。
如果能在无线供电的诸多用途中巧妙利用该中间场，传输距离和传输效率等有望进一步提高。（作者：野泽 哲生，日经技术在线！供稿）
