为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输，减小接收线圈的绕制维度、体积与产热，设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向，同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯，其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整，减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型，通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高，最后通过搭建实验平台进行测试，优化了单维接收线圈的参数，同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明，在线径为0.05 mm的条件下，所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12，优化后的匝数为120。当发射电压为15 V，发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1 578 mW，能量传输效率为3.85%。该系统在300~500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。

在激光无线能量传输（LWPT）中，传能激光波长、光功率和光电池温度对光电池的输出特性有显著影响，最大功率跟踪（MPPT）技术可解决上述等因素造成的功率失配问题，提升系统的DC-DC效率。构建了针对LWPT的MPPT集成仿真系统，耦合了波长、光功率和温度对GaAs光电池输出特性的综合影响，可以同时分析光电池在功率匹配、功率失配和MPPT调制等多种条件下的输出特性。基于该仿真系统，研究了光电池在不同波长、光功率和温度条件下的物理规律。波长增大时，在850 nm左右转换效率η_max达到最大值为50%，波长继续增大，光子能量小于GaAs禁带宽度导致η_max迅速下降。功率增大时，η_max基本不变，最大功率匹配电阻R_Lmax减小。温度升高时，η_max和R_Lmax均持续下降。此外，研究了光电池在功率失配时的输出特性，此时光电池的转换效率对比功率匹配时均有不同程度的下降。根据光电池的输出特性在仿真系统设计了MPPT电路，利用时间扰动算法进行最大功率跟踪。光电池在MPPT系统调制后均可工作在功率匹配时的最大功率点，且光电池能源利用率达到99.93%。研究结果对用于激光输能有重要指导意义。

激光无线能量传输中，激光光强分布不均匀和激光光斑与光电池形状不匹配会导致系统光电转换效率降低，局部温度过高，极端条件下甚至对光电池造成损伤。基于分布式匀化思想设计了一种激光接收装置，首先用光学整形扩散片在光电池各子区域进行光束初次匀化，然后用光学漏斗进行二次匀化和整形。针对1 cm×1 cm光电池，分析了光学整形扩散片的扩散角度和光学漏斗的高度对光束匀化效果的影响，优化后的激光接收装置的耦合效率η_c>95%，光强不均匀度Δ<0.05。此外，该激光接收装置对激光入射角不敏感，入射角为20°时，η_c>80%。搭建了3×3光电池芯片阵列的激光无线输能系统，采用分布式匀化激光接收装置，光强不均匀度由0.34降到0.12，光电池转换效率提升了65%。与正入射时相比，入射角为18°时，系统转换效率变化小于20%。结果表明，该分布式匀化激光接收装置有效提高了接收端的光强均匀性和系统光电转换效率，且对激光入射角不敏感，在激光无线能量传输中有重要作用。

1016001Wireless Power Transfer (WPT) and energy harvesting technologies are expected to provide revolutionary technological changes in important fields such as 5G communications and the Internet of Things. The short-range coupling WPT has gradually been commercialized, but there are still many technical bottlenecks in the practical process of microwave power transmission that can realize long-distance applications, such as the contradiction between the limited aperture of transceiver antennas and the WPT efficiency. The developments of electromagnetic metamaterials and metasurfaces have brought new breakthroughs for solving the above-mentioned problems. In this paper, we will focus on the combination of the two important technologies, and systematically review the applications of metamaterials in microwave wireless power transfer and wireless energy harvesting. The results show that the near-field focusing metasurface can significantly improve the transfer efficiency. We will also introduce the research progress of optically transparent metasurfaces and reconfigurable metasurfaces for improving WPT performance and practicability. Based on the periodically close arrangements of subwavelength metamaterial units, a wireless energy harvester with wide-angle incidence and polarization-insensitive characteristics is designed, which can replace conventional receiving antennas with higher harvesting efficiency. Furthermore, coplanar integration with the rectifying diodes makes a new concept of the rectifying metasurface, which can simplify the overall structure, reduce the size, and improve the efficiency. Finally, we will discuss the future progress of WPT, and point out the vital role that programmable and intelligent metamaterial technologies will play very important roles in future simultaneous wireless information and power transfer systems.

为了解决微型胃肠道胶囊机器人或其他可植入医疗设备无法使用电源线供电以及无线能量发射系统性能差的问题，本文提出了一种新的U型发射线圈无线能量传输系统。与传统的螺线管对式的发射线圈相比，通过结构的改进，首次将磁芯加入到了发射线圈中。该系统可以极大地改善传输过程中传输效率低，机器人接收功率低的问题。本文建立了所提出的U型发射线圈无线能量传输系统的理论模型，并通过有限元模拟对其进行了分析。搭建了U型发射线圈无线能量传输系统平台对其能量传输效率和接收线圈的接收功率进行了测试，以验证所提出设计的有效性。实验结果表明，所提出的U型无线能量传输系统的传输效率最高达到14.13%，接收功率最高为3 780.75 mW，能够满足机器人工作的功率要求。

胃肠道机器人的无线能量传输（WPT）系统的性能易受到尺寸、安全性等诸多因素的影响。为使胃肠道机器人在这些限制下依然能够安全稳定地接收能量，本文建立了系统的数学模型，并用智能优化算法对其进行优化。采用平板螺旋线圈作为系统的发射线圈，建立能量传输系统优化的数学模型。接着，根据安全性、功率要求等限制分析系统的约束条件，并以效能积作为优化函数。对粒子群优化算法进行改进，并引入布谷鸟搜索策略。最后，用改进的粒子群算法对系统进行优化，并对优化后的参数进行了实验验证。实验结果表明：系统传输效率为10.2%，接收功率为637 mW，达到预期结果。优化后的WPT系统基本满足了胃肠道机器人能量传输的要求。

传统的肠道机器人无线能量传输系统发射线圈普遍采用中空圆柱体轴向绕线的方式，空间占用体积较大，限制了被检查者的活动空间，绕制复杂。本文提出了一种用于肠道机器人松耦合无线能量传输系统的发射线圈结构，由方形螺旋式绕制的平板线圈对组合而成，极大缩减了线圈的轴向长度，有效减少了发射线圈的体积，线圈结构更为简单轻薄。介绍了无线能量传输系统的工作原理，通过Comsol仿真分析了所设计线圈的磁场分布规律。最后，实验验证了该能量发射装置设计的可行性，并确定了最佳谐振频率。实验结果表明，在工作频率为213 kHz时，线圈对中心处无线能量传输系统的功率为787 mW，传输效率为5.7%，能够满足肠道机器人的功率需求。