第一作者：原红伟、Youngwook Chung

通讯作者：戴可人教授、Sang-Woo Kim教授

通讯单位：南京理工大学机械工程学院、Department of Materials Science and Engineering, Yonsei University

原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202510427

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在植入式医疗、海洋传感与微系统监测等领域，如何实现长期稳定的能量供给与信息交互一直是核心难题。研究团队提出了一种基于超声驱动摩擦电纳发电机（US-TENG）的多频调制无线能量与信息同步传输（MF-SWIPT）技术。该技术可在单一超声通道上同时实现能量供电与数据同步传输。通过优化电路架构，系统仅需消耗微瓦级功率即可完成多频信息解调，使其能够在US-TENG微系统中高效运行。实验结果表明，该方案显著提升了信息传输效率，同时几乎不降低能量传输效率。研究进一步在水下温度监测微系统中进行了验证：US-TENG-MF-SWIPT不仅可持续供能，还能实时传输温度数据、文本信息，并远程调节系统参数（如报警温度阈值）。这一突破为未来自供能、智能化微系统奠定了基础，也为能量与信息深度融合的下一代物联网开辟了新路径。

背景介绍

摩擦电纳发电机（TENG）凭借其柔性、易制造及低成本等优势，在传统振动能量采集难以实现的场景中展现出巨大潜力。尤其是超声驱动摩擦电纳发电机（US-TENG）的提出，为体内植入式医疗微系统与水下传感监测系统提供了全新的能量解决方案，有效避免了更换电池的不便，实现了长周期的自供能运行。近年来，研究者从摩擦材料、器件结构及能量采集电路等方面不断优化，使US-TENG的能量转换效率和功率密度显著提升，并已在起搏器等临床装置中得到验证。然而，能量供给只是微系统长期运行的一部分，信息传输同样至关重要。在医疗场景中，实时下达控制指令可实现药物释放、神经刺激等参数的动态调节；在水下环境中，信息交互则使系统能够快速响应地震或生态突变等关键事件。早期US-TENG通信方案多依赖外接商用模块，虽能实现数据传输，但带来高能耗与体积膨胀，不利于微型或植入式平台。随后，学者尝试通过超声调制（如ASK）或光学发射机制实现低功耗信息传输，但仍面临能量利用率低与信号干扰问题，难以同时保障连续供能与高效通信。

为解决上述瓶颈，研究提出无线能量与信息同步传输（SWIPT）理念，将通信调制技术与能量传输融合。然而，将SWIPT机制引入低功率US-TENG体系仍面临挑战，尤其是解调电路能耗过高与能量—信息传输效率难以兼顾。针对这一难题，作者提出了多频调制无线能量与信息同步传输（MF-SWIPT）架构，通过巧妙的电路优化，实现了毫瓦以下功率条件下的低损耗解调，使US-TENG能够在单一声通道上实现能量与信息的并行传输。该研究不仅拓展了US-TENG在医疗与海洋领域的应用边界，也为下一代自供能、智能化微系统提供了新的能量—信息融合范式。

研究出发点

1）为了提升US-TENG微系统的智能化水平，将组内现有研究（Advanced Energy Materials, 15(4), p.2403712）中的二进制开关调制（OOK）扩展为多级频率调制，并构建了相应的架构，显著提升了能量和信息同步传输效率。

2）在搭建架构的支撑下，建立了US-TENG-MF-SWIPT能量与信息传输率的同步优化理论模型，实现了多频调制下电阻、电容等关键参数的最优匹配。

3） 为了验证提出US-TENG-MF-SWIPT系统在实际应用中的性能，构建并实验证明了提出技术在水下温度监测微系统中的可靠运行。

图文解析

基于US-TENG的多频调制无线能量与信息同步传输（MF-SWIPT）系统由三部分组成：防水封装的US-TENG器件、多频调制电路模块以及功能化负载单元。其核心思路是将超声波信号调制为多频载波，经过液体或组织介质传播后激励US-TENG，使其输出包含能量与信息的可变频电信号。该信号经整流桥转换后，大部分能量存储于超级电容中，为负载提供稳定供电；同时，小部分信号进入高通滤波与解调模块，实现信息的解码与控制。通过多频编码机制，系统能够在维持连续能量供给的同时传输多比特数据，实现能量与信息的并行、非干扰传输。该设计为体内植入与水下监测提供了一种无需外部通信模块的自供能交互解决方案，显著提升了微系统的独立性与智能化水平。

图1. 基于US-TENG的多频调制无线能量与信息同步传输（MF-SWIPT）系统的整体结构及工作流程

相比传统的单频解调电路，提出系统采用了全桥整流+高通滤波+低功耗解调的三级结构，有效降低了解调能耗并提升频率分辨率。高通滤波器结合信息解调电路，通过参数优化实现能量传输与信息提取的协同最优。仿真显示，在25–125 kHz的多频工作模式下，电路能够准确分辨不同频率信号对应的信息位，并在信息传输过程中保持超级电容持续充电，证明系统实现了能量与信息的时域并行性。能量损耗分析表明，解调电路和充电电路平均功耗仅为3.7 μW与38 μW，整体能量利用率高达98.4%，远优于传统方案。该结果验证了MF-SWIPT在极低功耗下的可行性，为TENG实现SWIPT提供了关键的电路支撑。

图2. US-TENG-MF-SWIPT电路的拓扑结构、工作原理及性能仿真

与传统电路相比，本文提出的架构能够在多频激励（25、50、80、125 kHz）下实现清晰的电平区分：不同频率对应不同电压输出，可编码为“00”“01”“10”“11”四种数字信息，实现多比特量化传输。能量传输方面，随着频率复用程度增加，信息速率显著提升，而能量损耗极低。多频模式下，系统在维持或提升信息速率的同时，能量传输效率几乎不下降，验证了多频调制机制的综合性能优化效应。这一结果表明，MF-SWIPT在实现能量与信息协同的同时，突破了传统TENG系统中“高效通信与稳定供能不可兼得”的限制。

图3. US-TENG-MF-SWIPT技术的多频信号识别能力与能量传输效率仿真验证

实验平台包括多信号源超声驱动模块、继电器、US-TENG器件及集成电路板。实际电路尺寸仅为20×20 mm，可嵌入微型或植入式系统中。实验结果显示，US-TENG在25–125 kHz超声激励下输出峰峰值电压8–70 V，电压与电流均随频率上升而增加，表明声–机–电耦合增强。超级电容在各频率下均能稳定充电，且高频下电压提升更快。信息解调测试中，四个频率分别对应四种稳定电平（0.83–2.6 V），实现了“00–11”的可靠映射，验证了多频信息编码与能量并行传输的实验可行性。整体测试证明，该电路能在毫瓦以下功耗下实现稳定供电与多频信息识别，为US-TENG的实际部署提供了系统级验证。

图4. MF-SWIPT系统的实验构建与性能测试结果

系统通过超声波将能量与控制信息从基站传输至US-TENG节点，实现对温度传感器的实时供能与参数调控。多频超声调制实现了字母与数字信息（如“nJ”、“30”）的编码与解码，使节点可远程更新报警阈值。实验中，系统先将阈值设为25 °C，当水温升高超过该值时自动触发报警；随后通过信息传输将阈值调整为30 °C，节点响应准确，显示了其远程指令响应能力。连续监测寿命达17小时，说明系统具备长期稳定运行与智能交互功能。该应用验证了MF-SWIPT在复杂介质中实现“能量—信息双向耦合”的潜力，为未来智能海洋监测与植入式诊疗系统提供了范例。

图5. MF-SWIPT技术在水下温度监测微系统中的应用实例

总结与展望

本研究提出并验证了一种基于超声驱动摩擦电纳发电机（US-TENG）的多频调制无线能量与信息同步传输技术（MF-SWIPT），实现了能量与信息在同一声学通道中的高效、连续、低功耗并行传输。通过全桥整流与高通滤波的协同设计，系统在毫瓦以下输出功率条件下实现了多比特信息的准确解调，并在不降低能量传输效率的前提下显著提升了信息传输速率。实验验证表明，该系统可在水下环境中稳定工作，能够为微系统持续供能，同时实现文本与指令信息的传递与控制，如水下温度监测节点的远程阈值调节。此研究不仅突破了传统TENG通信中“高能耗、低速率”的技术瓶颈，也为自供能智能微系统的长期运行提供了可行的能量—信息一体化方案。

展望未来，US-TENG-MF-SWIPT 技术的潜力远不止于当前演示的单节点应用。随着材料设计、声学传输与电路优化的进一步发展，该技术有望扩展至多节点协同网络、植入式医疗器官监测、深海环境感知以及具身智能系统等领域。未来研究可进一步探索多维调制方式（如幅度—频率混合调制）、信号自适应解调算法以及能量管理策略，以实现更高的信息带宽与能量利用率。同时，将TENG体系与人工智能算法相结合，发展自感知、自优化的智能能量网络，有望推动能量采集设备从“被动供能”向“主动通信与决策”的新阶段演进，为下一代自供能物联网与智慧医疗奠定技术基础。

原文信息

H. Yuan, Y. Chung, Z. Wang, et al. “ Simultaneous Multifrequency Modulated Wireless Information and Power Transfer for a Triboelectronic Monitoring System.” Adv. Sci. (2025): e10427. https://doi.org/10.1002/advs.202510427