随着超声超构材料（UMM）在科学和工程领域的广泛应用，基于超声驱动发电机的无线能量传输（WET）技术得到了长足的发展。事实上，新型超构材料（metamaterial）结构可以提高超声能量传输器（US-ET）的机械和物理特性的效率，包括超声驱动的压电和摩擦电纳米发电机（US-PENG和US-TENG），从而实现有利的应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，由韩国科学技术研究院（KIST）、高丽大学（Korea University）等机构的研究人员组成的团队在Advanced Science期刊上发表了以“Advanced Ultrasound Energy Transfer Technologies using Metamaterial Structures”为题的综述论文：首先，在论述超声能量在无线能量传输技术中的意义后，概述了超声超构材料的基本原理、分类和设计工程；接着，介绍了超声超构材料在US-PENG和US-TENG中的最新重要进展；此外，还简要总结了超声超构材料在US-PENG和US-TENG应用方面的创新策略。最后，还讨论了超声超构材料在US-ET未来可能发展中的一些趋势和面临的挑战。这篇综述旨在探索US-ET技术领域的最新进展和应用，特别强调其与超构材料创新驱动的协同作用。
US-ET技术与超声超构材料科学和工程的主要关联
超声超构材料的基本原理、分类和设计
超构材料是由人工设计的超构原子（meta-atom）或超构表面（meta-surface）结构构建的3D材料，具有天然材料中所没有的独特声学特性。这些材料被设计用于精确调控频率高于人类听力上限（通常高于20 kHz）的超声波。此外，超构材料由于其独特的工程特性，在各个领域都有其它潜在的应用。超声超构材料的表面表现出能够调控超声波的独特的能带结构。这些能带结构决定了声波传播的允许和禁止频率范围，从而产生聚焦、吸收、隐身、负折射和带隙等特性。超声超构材料的行为通常可以使用有效介质理论来描述，该理论将超构材料视为具有有效特性的均匀介质。根据声学的工作机制，超声超构材料可以分为四种常见的分类：声聚焦器、声吸收器、声隐身器和声折射器。
超声超构材料的分类及其制造技术的分类
工程和设计超声超构材料需要仔细考虑材料特性、结构设计和制造技术。选择合适的材料对于设计超声超构材料至关重要。这些材料应具有所需的声学特性，例如高刚度、低密度和低超声衰减等。常见材料包括金属、聚合物、复合材料或陶瓷，具有特定性能的先进材料（如压电材料）则提供了额外的功能。
用于能量收集的超声超构材料
超声超构材料通过控制超声传播/相互作用并在小规模或轻量约束条件下表现出特定的共振频率以增强选择性，为提高US-ET的能量转换效率提供了潜力。然而，超声超构材料结构的设计和制造需要复杂的技术和专门的材料，并且在某些频率范围内可能表现出有限的工作带宽或效率。此外，将超声超构材料集成到实际系统中可能会在与现有基础设施和电子接口的兼容性方面带来集成挑战。具有精心设计和构建的架构的功能代表性超构材料可以在US-ET系统中以不同的策略使用，这些策略在下图中进行了全面分类。
用于增强能量收集能力的US-ET系统中功能代表性超构材料的分类
压电材料和摩擦电材料的共同特性是通过将机械能转化为电能来产生交流电。然而，专门的超声驱动压电器件可将自发电转换回超声波，用于3D超声成像或某些通信传感器等各种应用，而TENG器件则不具备这种特性。因此，使用“接收器”可以涵盖所有超声驱动的压电器件，将其作为能量收集的多功能转换器或发电机。
用于能量收集的新型架构的US-PENG
用于超声能量传输技术的精心设计和构建的架构的US-TENG
基于超构材料的US-ET应用
基于超声的纳米发电机具有各种潜在应用，本综述对其进行了常见分类，如植入式和可穿戴式医疗设备、机器人、无线通信、消毒和治疗等。随着技术的进步和效率的提高，其在各个领域的应用有望得到进一步探索和拓展。
基于PENG和TENG的生物医学纳米发电机可以通过生物机械能（通过如心跳、关节、呼吸和胃等肌肉运动）和超声能量源发电。虽然人体的运动通常不便于偶尔使用，但超声提供了一种非侵入性、可持续性的能量来源，在生物医学领域具有潜在应用，它通常被用于诊断成像、治疗目的和及时干预。US-ET被分类为由外部来源供能的主动能量收集器，这种持续的能量可以用于为植入式或可穿戴式医疗设备持续供电，如起搏器、植入式除颤器、神经刺激器、药物输送系统和生物传感器等。
利用US-ET进行生物多应用能量收集
工作频率高（>20 kHz）、波长短的超声波具有传播距离远、指向性强等特点，这些特点已被广泛应用于各个领域的探测和传感应用，特别是水下无线传感和机器人通信领域。利用US-TENG和US-PENG作为自供电传感器和执行器因其潜力而备受关注。
用于高效水下无线通信和能量收集的US-TENG
综上所述，通过超构材料结构对超声能量传输器（US-TE）的研究已经证实了其巨大的潜力，为可持续能源解决方案开辟了新的途径，并为各种应用提供了创新机会。这些超构材料具有独特的特性，可以调控超声波，在无需物理连接或布线的情况下实现短距离超声波的有效传播和接收，从而促进摩擦电纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）的高效无线能量传输。
超构材料的新颖设计有助于改善能量吸收，减轻由于波反射引起的能量损失，并优化用于广泛应用（无线供电小型设备）的机械-电能转换机制。正在进行的研究正积极致力于改进柔性和可扩展超构材料结构的设计和工程，以集成到各种设备中，从而提高能量传输效率，拓宽工作频率范围，并提高基于超声的能量传输系统的整体性能。材料科学、制造方法和建模工具的进步有望进一步推动这一领域的发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202401494
