信息学院本科生以第一作者发表脑机接口无线充电研究成果

近日，信息学院2023级本科生林希远在傅旻帆教授指导下，针对植入式脑机接口（BCI）无线充电系统开展小型化与热安全协同设计研究。由其担任第一作者的论文“Mechanical Parameter Design for Implantable BCI Wireless Charging Systems”获《IEEE 电力电子汇刊》（IEEE Transactions on Power Electronics )正式接收。

随着植入式BCI朝着高通道数、高带宽与长期植入的方向快速演进，植入装置对充电子系统的功率密度与安全工作特性提出了严苛要求。感应式无线电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）是植入式 BCI 主流无线供能方案。为保障生物相容性与长期气密封装性能，植入设备普遍采用钛合金外壳；但高频交变磁场将在金属壳体内部激发涡流并引发附加发热，使得充电功率、植入体体积与温升安全三者之间形成显著权衡矛盾：一方面，下一代 BCI 系统亟需更高供电功率；另一方面，植入体需维持小型化形态，同时严格遵循医疗温升安全标准。课题组前期已针对该难题开展系统性研究，建立钛壳涡流损耗分析与热优化方法，并实现 700 mW 量级植入式 BCI 无线充电。本工作进一步聚焦具备重要工程价值的研究目标：在维持 700 mW 充电功率与热安全约束不变的条件下缩减植入体体积，并构建一套高效、通用性强的结构参数设计方法。

传统设计流程需要同步遍历线圈几何尺寸、壳体开口大小、封装规格、补偿网络参数等多维度变量，依托大量有限元仿真迭代寻优。随着待优化变量增多，设计复杂度与计算开销急剧上升，且难以直观建立各类结构参数与极限最低涡流损耗之间清晰的物理关联。针对上述瓶颈，本研究提出一种适用于植入式BCI 无线充电系统的三线圈等效模型。该模型除体外发射线圈与体内接收线圈外，将钛合金外壳内主导涡流路径等效为第三耦合线圈，利用等效电阻、电感及互感参数表征金属壳体对系统损耗与耦合特性的调制作用。依托该解析模型，推导得到发射–接收线圈最优电流相位差以及最小涡流损耗闭式解析解，由此建立结构参数与热损耗极限之间直接的量化关联。

图1 | 植入式BCI无线充电系统结构及三线圈等效建模示意

团队研制了新一代高功率密度植入式BCI无线充电样机。系统在 1 MHz 工作频率、20 mm 传输距离下，能够稳定输出 700 mW 功率。与前一代原型相比，新样机在保持相同输出能力和传输距离的前提下，钛合金封装总体积缩小约45%，显著提升了系统功率密度。

图2 | 面向更高功率密度的紧凑样机演进：优化前后结构对比

上海科技大学信息学院2024级博士生姚思逸为共同第一作者，傅旻帆教授为通讯作者。