超材料超表面--电动汽车无线充电的效率增强研究

研究背景 肌肉骨骼系统由骨骼、关节、肌肉、肌腱、韧带和关节组成，是人体最大的系统。这些部分与神经系统共同协作，为身体提供支撑，并使身体能够运动。然而，现有的诊断工具包在实现早期检测和体内监测方面存在局限性，阻碍了我们对疾病进展的了解，并给治疗带来了挑战。因此，探索能够早期检测和实时监测肌肉骨骼疾病的新途径是非常可取的。自 20 世纪 70 年代以来，一种使用刚柔结合印刷电路板(柔性印刷电路板)的新概念电子设备开始用于恢复肌肉功能，促进了柔性电子设备在肌肉骨骼系统运动捕捉、健康监测和术后康复方面的发展。先进材料的创新具有内在的灵活性和解决方案的可加工性，推动了肌肉骨骼系统功能电子器件的革命。例如，不同类别的可穿戴设备已被集成到皮肤、衣服和智能手表中，以监测运动时的汗液和脉搏信号等物质信号。更令人兴奋的是植入式设备，它对生物兼容性、稳定性、信号转换效率和功耗都有严格的要求。有鉴于此，人们正在探索将有机半导体和导电生物凝胶等各种材料用于早期检测与手术有关的感染、跟踪康复过程中的进展以及探索最先进的治疗方案。凭借这些与肌肉骨骼系统密切相关的成就，“肌肉骨骼电子学“实际上已经出现，但尚未被明确提出。 研究成果 肌肉骨骼系统是人体最大的生理系统，在提供身体结构支撑、促进复杂运动和保护内脏器官方面发挥着至关重要的作用。随着材料和设备的革命性进步，特别是在运动捕捉、健康监测和术后康复领域，“肌肉骨骼电子学”实际上已成为一个萌芽领域，但尚未被明确提出。在这篇综述中，中国人民解放 军总医院Zhang Licheng & 中科院化学研究所Di Chong-an 教授等人试图阐明肌肉骨骼电子学的概念，并总结相关材料和最新设备的演变历史、代表性进展和关键策略。因此，首先介绍了肌肉骨骼电子学的基本原理和主要功能类别。随后，从“体外”到“体内”信号检测、交互调制以及治疗干预的角度介绍了肌肉骨骼电子学的最新进展。此外，还提出了开发先进肌肉骨骼电子材料和设备的九条战略途径。最后，还提出了简明扼要的总结和观点，以突出这一蓬勃发展的领域值得重点关注的方向。相关报道以“Evolution of Musculoskeletal Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。 图文导读 Figure 1. Schematic and development of musculoskeletal systems. Figure 2. Major categories and molecular structure of reported electronic materials making for musculoskeletal systems. Figure 3. Material properties. Figure 4. Schematic illustration of electronic devices Figure 5. Electronic devices developed for signal detection of the musculoskeletal system. 。。。。。。 总结与展望 在过去十年中，电子材料和器件经历了意想不到的快速发展，以满足物理化学特性、多功能和人工应用于骨骼、肌肉和神经组织等肌肉骨骼系统的需求。因此，肌肉骨骼电子技术应运而生，其潜力在于：1)实现多种医疗诊断和适形健康监测；2)彻底改变交互系统和多功能假肢器官，以生物兼容的方式执行复杂的任务；3)提供前所未有的治疗肌肉骨骼疾病的能力。尽管可能取得这些成就，但仍存在许多挑战。怎样的理想材料才能满足肌肉骨骼电子器件从体外到体内的耦合需求?如何在电子设备和生物有机体之间实现出色的信号输出匹配?我们的设备能否与肌肉骨骼器官(尤其是人体神经)相互作用，从而创建新的感知系统，并刺 激粘合生长和骨折或受伤后的组织恢复?为了解决这些悬而未决的问题，应继续努力推动肌肉骨骼电子器件从体外到体内的进化。 鉴于体外肌肉骨骼电子学和电子皮肤的共同特点，采用在电子皮肤上已经取得成功的设计策略是推动肌肉骨骼材料发展的捷径，尤其是从机械和粘附性能的角度来看，这种设计策略已经取得了巨大成就。例如，基于分子设计、低维制造、纳米级合成和杂化技术，许多具有出色柔韧性、显著拉伸性和微调模量的材料已经问世。由此产生的内在可拉伸材料或通过柔性互连拴在一起的刚性设备可直接应用于肌肉骨骼设备。值得特别关注的一个可能问题是，电子设备需要骨骼、肌肉和神经的多重粘附环境。因此，未来的工作将涉及在分子水平上开发可靠的物理粘附和弱化学键，以确保在不同器官中进行准确的信号检测。 更具挑战性的任务是监测和治疗各种生物物种和信号，因为一种传导方法通常只能提供固定的传感能力。因此，我们需要一种多模传感设备。以前的报告为智能电子皮肤设计了温度-压力双参数传感器和多个应变传感器，但在处理复杂的生理环境和其他生物物种时，这些解决方案可能不够强大。未来，利用新型人工智能技术的集成系统可自动分析来自多模设备的信息，从而显著改善肌肉骨骼疾病的诊断、治疗和治疗监测。这些先进的肌肉骨骼电子设备可提升当前的医疗模式。此外，赋予致动器信号响应或集成多种功能以记录和调整肌肉骨骼系统的生理活动和新陈代谢过程。为此，有必要进一步优化多功能材料和逻辑电路。例如，开发一种可将多种信号传感器集成到给药系统中的电子装置，可为设计用于体内动态生物活性监测的肌肉骨骼装置提供一种新方法。此外，所开发的设备应具有良好的生物兼容性，如生物耐久性和良好的抗渗透性，以确保在汗液和血液环境中的突出稳定性。 除了对肌肉骨骼应用的基本要求外，未来的材料和设备还应在超低能耗的条件下运行。因此，需要高效、轻便、生物兼容的发电和存储装置。理想情况下，传感设备应作为具有多种功能的自供电候选设备。之前的研究已经报道了能够将组织与环境之间的温差转化为电能的热电设备，以及基于压力-电信号转换的三电纳米发电机。另一项成果是将聚合物阴极应用于酶燃料电池，将化学能转化为电能，成功实现了葡萄糖的自供电和自主检测。我们相信，集成更多智能功能(如自愈和自适应)将极大地推动肌肉骨骼电子设备的发展。最终，人工智能的发展与肌肉骨骼诊断和治疗中的数据收集、处理和存储相结合将成为实现智能医疗的创新之路。无线通信和机器学习的进一步发展有望促进其在肌肉骨骼放射学、骨骼创伤学、矫形学以及物理和康复医学中的应用。 文献链接 Evolution of Musculoskeletal Electronicshttps://doi.org/10.1002/adma.202303311 *本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众 号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅! 来源：微波工程仿真