基于阵列天线的移动多动物体内光遗传模块无线供能技术研究

Wirelessly powering technology is a key method for the power supply of the optogenetical module inside the animal body in the optogenetical experiment. Wirelessly powering the optogenetical modules inside multiple animal bodies which are moving in a relatively large range is a new international research focus. In this project, the crucial technologies of the wirelessly powering system for the optogenetical experiments will be studied. Based on the environment of the optogenetical experiment and the animal model, the technology for miniaturization, anti-frequency-shift and gain enhancement will be explored. Also, on the basis of the implantable antenna, the realization of mid-field beam-forming circularly-polarized transmitting antenna array will be explored by maximizing the power transfer efficiency between the elements of the transmitting antenna array and the implantable receiving antennas, so that the link budget between the transmitting antenna array and the receiving antenna can keep stable even when the animals are moving. Additionally, the voltage-boosting method is applied to study the high-efficiency rectifiers under the low input power levels with the aim of making the output DC voltage meet the power storage requirements. Besides, the power management technology is utilized to design the power storage module so as to wirelessly power the optogenetical module continuously and stably. The objective of this project is to wirelessly power the optogenetical modules inside multiple moving animal bodies. The accomplishment of this project can ensure the accuracy and validity of the optogenetical experiment, promote the progress of the wirelessly powering technology for biomedical applications, and advance the development of the optogenetics to some extent.

无线供能是为光遗传学实验中动物体内光遗传模块供能的重要手段。如何为在较大范围内移动的多个动物体内光模块进行无线供能是国际上新的研究热点。本项目对应用于光遗传学实验的无线供能系统中的关键技术进行研究。拟基于光遗传学实验环境和动物体模型，进行植入天线小型化、抗频率偏移和增益提高的研究；在此基础上，通过发射阵列天线各单元与多个植入接收天线间的能量传输效率最优化，寻求中场波束赋形圆极化发射阵列天线的实现方案，使收发天线间的传输链路预算在动物移动时依然保持稳定；并采用电压提高法来研究低功率输入下的高效整流器，使其输出电压满足储能要求，同时通过能量管理技术建立储能模块，使无线供能系统可成为光遗传模块连续、稳定的替代能源。通过本项目的研究，将最终实现以无线方式为移动多动物体内光模块进行供能，从而保证光遗传学实验结果的真实和有效性，推动生物医学用植入式无线供能技术的进步，并在一定程度上促进光遗传学的发展。

无线供能是为光遗传学实验中动物体内光遗传模块供能的重要手段。如何为在较大范围内移动的多个动物体内光模块进行无线供能是国际上新的研究热点。本项目对应用于光遗传学实验的无线供能系统中的关键技术进行研究。基于光遗传学实验环境和动物体模型，进行植入天线小型化、抗频率偏移和增益提高的研究，通过研究植入天线增益可有效地提高约8dB；在此基础上，通过发射阵列天线各单元与多个植入接收天线间的能量传输效率最优化，研究了中场波束赋形圆极化发射阵列天线的实现方案，使收发天线间的传输链路预算在动物移动时依然保持稳定，通过研究优化出的无线供能系统能量传输效率为优化前的1.3倍；并采用电压提高法来研究低功率输入下的高效整流器，使其输出电压满足储能要求，同时通过能量管理技术建立储能模块，使无线供能系统可成为光遗传模块连续、稳定的替代能源。此外，在本项目的研究中，发展出了一种基于测量来优化设计无线能量传输系统的方法，无需表征未知电磁介质的性质和识别生物体组织内接收植入天线的方位，就可以实现最大可能能量传输效率的系统设计。为电磁环境未知或电磁环境复杂情况下的无线能量传输系统的优化设计提供了一种方案。通过本项目的研究，将最终实现以无线方式为移动多动物体内光模块进行供能，从而保证光遗传学实验结果的真实和有效性，推动生物医学用植入式无线供能技术的进步，并在一定程度上促进光遗传学的发展。.