美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员开发出一种超薄、柔软的电子网状装置，能够与活的人体心肌细胞融为一体，并将细胞收缩产生的机械运动转化为电能。这种名为“生物混合网状能量收集器”（Biohybrid Mesh Harvester）的新装置，有望为心脏起搏器、心脏监测设备、神经刺激器等低功耗医疗植入设备提供新的供电方式，减少传统电池带来的体积、重量和更换手术问题。
这项研究成果于2026年10月7日发表于《Science Advances》期刊，并于近日受到科技媒体关注。研究人员表示，与传统集中式能量收集装置相比，新系统的有效能量密度提高了十倍以上。不过，目前的成果仍处于实验室研究阶段，尚未在活体动物或人体内进行验证，也没有证明它能够独立驱动一台实际医疗植入设备。
现代医疗电子设备在改善患者生活质量方面发挥着越来越重要的作用。人工耳蜗、神经刺激器、心脏植入设备以及部分糖尿病管理装置，都需要持续稳定的电力供应。智能手表、智能戒指等可穿戴设备同样依赖电池运行。电池虽然成熟可靠，却存在体积、重量和储能容量之间的矛盾：缩小电池能够让设备更轻薄，但储存的能量也会减少。
对于植入人体的医疗设备而言，电池问题尤其突出。普通智能手表电量耗尽后，只需放在充电器上即可恢复使用；但部分医疗植入设备如果需要更换电池，患者可能必须再次接受手术，承担额外费用和医疗风险。因此，科学家一直在探索利用人体自身能量为电子设备供电的方案。
人体内部存在多种可供利用的能量来源。例如，身体与外界之间的温差可以用于热电发电，肌肉收缩、心脏跳动和呼吸运动则能够提供机械能。压电材料可以将受到挤压或拉伸时产生的机械形变转换为电荷，因此被认为是为植入式电子设备供电的一种潜在技术路线。
不过，传统压电能量收集器通常作为独立装置安装在组织表面。这种集中式设计与人体组织之间可能存在明显的机械差异：电子器件相对坚硬，而心肌等生物组织柔软且持续运动。两者之间的机械不匹配，不仅可能限制能量收集效率，也会增加装置与组织长期接触时的设计难度。
马萨诸塞大学的研究团队因此改变了设计思路，不再将一个较大的发电装置固定在组织表面，而是把许多微型发电单元分散布置在柔性网状结构中，让活细胞能够生长到电子装置内部及周围，使两者形成更加紧密的结构结合。
研究人员首先制备了大量由锆钛酸铅（PZT）制成的细小带状结构。这是一种常用于传感器和执行器的压电陶瓷材料，受到机械形变时能够产生电荷。随后，团队将这些微型压电单元整合进一层超薄、柔软的聚合物网格中，形成相互连接的能量收集网络。
与连续、封闭的基底不同，网格结构留有大量开放空间，能够让活细胞穿过并在装置内部生长。研究人员将人体心肌细胞接种到这一平台上，随着细胞逐渐生长，细胞群与网格结构形成紧密结合。最终形成的生物混合结构既能随心肌组织一起运动，又能在细胞收缩时使嵌入其中的压电材料发生形变。
当心肌细胞收缩时，分布在网格各处的PZT带状结构受到挤压或拉伸，进而通过压电效应产生电能。由于发电单元不再集中于组织表面的某个位置，而是分布在整个网络中，系统能够在更广泛的细胞与电子结构接触区域收集机械能。
研究团队认为，这种分布式架构是该技术最重要的创新。传统装置通常依靠一个相对集中的能量收集器，而新方案将许多微型单元整合进生物组织结构，使电子设备能够更加贴近细胞运动，同时保持足够的柔韧性。
实验结果显示，新系统的有效能量密度超过现有集中式能量收集方案的十倍。这里的关键指标是有效能量密度，即在装置所占据的有效体积范围内能够收集的能量水平。研究人员认为，这种提升来自多个微型发电单元与细胞组织之间更加紧密的机械耦合，而不是单纯依靠扩大装置尺寸。
另一个潜在优势是结构可以扩展。由于网状薄膜非常轻薄，研究人员提出，可以将多层网格叠加，以增加发电单元的总数量，从而提高总体发电能力，同时尽量避免装置体积大幅增加。未来，工程师或许能够根据不同植入设备的功耗需求，调整网格层数和发电单元的分布方式。
这项技术最直接的潜在应用，是为心脏起搏器、心脏监测系统、神经刺激器以及其他低功耗生物电子设备提供辅助电力。如果能够持续稳定地从心脏或其他组织的自然运动中收集能量，就有机会延长植入设备的工作时间，降低更换电池的频率，并减少患者再次接受手术的需要。
该技术也可能为可穿戴传感器提供新的设计思路。未来的柔性电子设备如果能够与人体组织更加紧密地结合，并利用身体运动获得部分电力，就可能减少对传统电池的依赖。不过，这些应用目前仍属于研究设想，尚未达到能够直接用于临床产品的阶段。
研究论文的资深作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校工程学院副教授姚军表示，人体组织对体积较大、机械特性不匹配的电子装置可能产生排斥反应，而将设备做到接近细胞尺度，有望改善其与生物组织的兼容性。他认为，这种系统的潜力在于能够以较小的结构实现更紧密的生物电子整合。
然而，这项技术仍有几个关键问题需要解决。首先，目前研究仅在实验室培养的心肌组织中完成，研究人员还没有证明它能够在活体环境中长期运行。其次，实际输出电能有多少、能否稳定满足不同植入设备的功耗要求，以及长期机械运动是否会导致材料疲劳或性能衰减，都有待进一步测试。
材料安全性也是重要挑战。该装置使用的锆钛酸铅含有铅元素，如果应用于人体内部，就必须确保材料得到可靠封装，避免有害物质泄漏并影响周围组织。研究人员还需要评估长期生物相容性、免疫反应、封装耐久性以及装置在真实生理环境中的稳定性。
因此，所谓能量密度提高十倍以上，并不意味着这套装置已经能够完全取代植入式医疗设备的电池，也不代表所有相关设备都可以立即实现免充电运行。实验中的相对性能提升只是技术潜力的初步证明，最终能否用于临床，还取决于实际输出功率、安全性和长期可靠性。
总体而言，这项研究的重要意义，在于把能量收集器从附着在生物组织表面的独立装置，转变为能够与活细胞共同生长、随组织运动的分布式电子网络。它为人体运动能量与电子设备之间建立更紧密的联系提供了新的工程方案。如果后续研究能够解决材料安全、长期稳定性和实际供电能力等问题，这种生物混合网格有望成为下一代低功耗医疗植入设备的重要技术方向。