2024.06.18. 韩国科学技术研究所（KIST）研究团队 Iman M. Imani 等人在《Advanced Science》（IF=14.3）上发表综述型文章 “Advanced Ultrasound Energy Transfer Technologies using Metamaterial Structures”，基于超材料的先进超声能量传输技术。
新型超材料结构可以提高超声能量接收器（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纳米发电机（US-PENG 和 US-TENG），以实现有利的应用。本文在介绍无线能量传输（WET）技术后，总结了超声波超材料（UMM）的基本原理、分类和设计工程。介绍 UMM 在 US-PENG 和 US-TENG 方面最近取得的重大进展。最后，还讨论了 UMM 在 US-ET 中未来可能发展的一些趋势观点和挑战。
超声超材料（UMM）的基础、分类和设计
用于能量收集的超声波超材料
UMM 通过控制超声传播/相互作用并表现出特定的共振频率以增强小规模或轻量约束下的选择性，从而提供了提高 US-ET 能量转换效率的潜力。然而，UMM 结构的设计和制造需要复杂的技术和专用材料，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 UMM 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。具有架构结构的功能代表性超材料可以在 US-ET 系统中以不同策略使用，在图 4 中进行了全面分类。
图6. 用于拟议能量收集的新型结构 US-PENG
图7. 超材料用于超声波的聚焦和穿透
图8. 基于超声材料聚焦超声探头的结构和功能
（2）超声波触发摩擦纳米发电机：基于超声波的摩擦电接收器可感知地使用机械振动作为驱动力来诱导摩擦电充电并产生电能。在摩擦纳米发电机（TENG）基础上，超声波被用来在系统中引起机械振动，这些振动可以在接触材料之间产生相对运动。这种循环过程由于摩擦电效应导致电荷的产生，收集的能量可用于为小型电子设备供电或存储在储能系统中。
图9. US-TENG 能量收集机理和基本模式示意图
图10. 用于超声能量转移的 US-TENG 结构架构
基于超材料结构的超声能量收集器应用
（1）医疗器械
图11. US-ET 器件为生物应用收集能量
（2）无线通信和机器人
（3）纳/微米尺度疗法
总结与展望
通过超材料结构对超声能量收集器（US-TE）的研究显示出巨大的潜力，为可持续能源解决方案开辟了新的途径，并在各种应用中提供了创新的机会。这些超材料具有独特的特性，可以操纵和调节超声波，无需物理连接或布线即可在短距离内有效传播和接收超声波，从而促进 TENG 和 PENG 的高效无线电力传输。
超声超材料（UMM）的新颖设计有助于改善能量吸收，减轻波反射引起的能量损失，并优化机械到电能转换机制，以广泛应用。正在进行的研究正积极致力于改进灵活和可扩展的超材料结构的设计和工程，以集成到各种设备中，以提高能量传输效率，拓宽工作频率范围，并增强基于超声波的能量传输系统的整体性能。材料科学的进步、制造方法和建模工具进一步推动了这一领域的进步。该领域的主要挑战在于实现长距离的高能量传输效率，同时确保低超声波功率以维护人体安全。
虽然 US-ET 技术的可行性补充受到 UMM 的复合和结构的影响，但 US-ET 系统的设置实施也是提高性能的重要关键，例如超声源朝向设备的对准位置，US-ET 设备在介质中的位置尽可能接近超声源， US-ET 屏蔽层的厚度低，阻抗匹配，并调整超声波的频率和强度，以引起发生器的共振。这些优化包括严格的仿真和实验验证过程，以根据特定要求定制 UMM。
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