隨著生物醫學工程的飛速發展，可植入電子設備已成為臨床治療不可或缺的工具。然而，有限的電池壽命成為制約其體內長期應用的關鍵瓶頸。傳統的手術更換電池或經皮有線供電方式存在手術風險、術后感染以及患者負擔重等問題。因此，非侵入式的無線能量傳輸技術被視為突破該領域瓶頸的理想方案。在各種外部能源中，紅外光尤其是近紅外二區（NIR-II）的光（1000~1350 nm），因其在生物組織內的高穿透性、高生物耐受功率密度以及良好的可控性，展現出用于可植入設備無線供能的巨大潛力。
圖1 可植入電子設備的供電困境與無線供能原理
增強組織光傳輸：皮膚透明化策略與仿生集光設計
構建高效、安全的近紅外皮下發電機，其首要挑戰在于克服生物組織對光能的強烈衰減，將足夠多的NIR-II光能傳輸至皮下的能量轉換單元。吸收與散射共同制約光在生物組織中的穿透深度，其中散射效應尤為嚴重（見圖2(a)）。為此，組織光學透明化技術提供了創新解決方案。該技術的核心原理是使用高折射率試劑，暫時性地匹配或平衡組織內部不同組分間的折射率，從而減少散射界面的數量，降低光散射效應（見圖2(c)）。
除了通過化學方法暫時改變組織本身的光學特性之外，從器件設計角度出發進行創新，以高效捕獲經生物組織散射后呈角度分布發散的光能，從而增強皮下光能收集效率。研究人員提出一種無透鏡的寬角度二次曲面聚光器（BAQC），構建了NIR-II光激活的無線神經刺激器件（見圖2(g)）。該工作從器件集成的層面，為解決體內光傳輸的散射難題、實現魯棒的無線供能與神經調制提供了有效方案。這種高效的寬角度集光設計，是構建高性能近紅外皮下發電機的關鍵前端組件。它通過最大化捕獲并匯聚經組織散射后的NIR-II光能，為后端的光-熱-電或光電-熱電轉換模塊提供了充足的能量輸入，從而直接提升了整個發電系統的輸出功率與可靠性。
精準能量遞送：經皮水凝膠光纖技術
近紅外皮下發電的高效皮下紅外能量轉換機制
近紅外皮下發電機在生物體內的能量轉換，取決于成功遞送至皮下的NIR-II光能能否被高效、安全地轉換為電能。NIR-II光子能量較低，直接進行光伏轉換的效率有限。這不僅造成能量浪費，難以滿足供電需求，而且其伴生的光熱效應還會導致器件溫升，帶來組織熱損傷風險。針對NIR-II光的特點，研究者們發展了多種創新的能量轉換機制，主要包括基于溫差和溫變的光-熱-電間接轉換機制，以及最大化利用光能與廢熱的光電-熱電協同轉換機制。
光-熱-電間接轉換機制
鑒于NIR-II光有很強的光熱效應，研究者受到啟發，致力于將產生的熱能轉換為電能。具體而言，此機制首先將NIR-II光通過光熱材料轉換為熱能，再通過不同的物理效應將熱能轉換為電能，進而實現高效的近紅外皮下發電。其一是基于塞貝克效應，利用光熱轉換產生的穩態溫差來驅動熱電器件發電。其二則是利用熱釋電效應，該策略利用熱釋電晶體(如鉭酸鋰晶體)將脈沖激光照射下光熱層引起的快速溫度變化(d??/d??)轉換為高壓電脈沖。
光電-熱電協同轉換機制
為最大化利用NIR-II光子的能量，Lyu S Z等人提出了協同能量轉換策略。該設計將光伏電池與熱電器件垂直集成（見圖5(a)）。位于上層的單晶硅光伏電池將部分NIR-II光能直接轉換為電能；同時，光伏轉換中不可避免產生的廢熱被主動引導至下層熱電器件，再次通過熱電效應轉換為額外電能。此方案不僅將有害廢熱高效轉換為可被利用的電能，提升了整體轉換效率，而且還通過主動熱管理降低了光伏電池的工作溫度，保障了生物安全性。
圖5 NIR-II光電-熱電協同能量轉換
總結與展望
https://doi.org/10.11972/j.issn.1672-8785.2026.02.002
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