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创可贴式可穿戴传感器利用汗水“发电”

发布人:传感器技术时间:2021-07-23来源:工程师

近日,来自加州大学圣地亚哥分校(University of California,San Diego)的研究团队设计了一种新型能量收集装置。该设备只有几厘米宽、形似创可贴,是一种基于触摸的乳酸生物燃料电池,通过利用指尖的高被动排汗率进行生物能量收集,进而为穿戴设备持续提供能量。



研究者称,这种设备是有史以来最有效的身体能量收集器之一,它甚至可以在佩戴者静止的情况下依旧保持工作状态,对未来可穿戴电子产品的高效实用能源研究具有重大意义。


7 月13日,上述相关研究以《被动排汗生物燃料电池:高能量投资回报》(A passive perspiration biofuel cell: High energy return on investment)为题发表在Joule期刊。



该论文第一作者为加州大学圣地亚哥分校纳米工程系博士生陆寅(Lu Yin),由加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、可穿戴传感器中心主任约瑟夫・王(Joseph Wang)担任论文通讯作者。


新型能量 “圣杯”——汗水收集器问世


“对于能源自主型的可穿戴系统来说,其实主要依靠实用且高效的能量收集器来持续提供电力。” 陆寅在论文中介绍道。


然而,当前大多数的生物能量收集器依赖的并不是阳光等不规则外部能源,而是基于人体自身的超负荷身体运动,比如超强度的跑步或骑自行车。


该方式对人的负荷很大,而且并不高效。研究数据显示,只有1%不到的机械能量能够得到有效收集。极低的利用效率显然阻碍了其规模化生产进程,因此,这种自主供能方式很少被采纳且几乎得不到实际应用。



而此时,汗液中一种被称作“乳酸”的可溶化合物吸引了研究员们的关注。他们发现,乳酸在被酶氧化后,可以产生强度不错的电能。


而指尖又是人体汗腺最集中的部位,即使佩戴者在保持静止不动的情况下,依旧会持续产生汗水。


“无论你的手多么干净,都很容易留下指纹。那基本上都是你汗水的残留物,我们所做的就是利用这些代谢物。即使与真正剧烈运动产生的汗水相比,其出汗量微乎其微,但这种能量仍然非常可观。” 陆寅表示。


而且为了加速汗水的收集,该设备的制作材料中还包含了水凝胶。这是一种有助于最大限度地吸收汗水的材料,“圣杯” 的称呼就此而来。


该研究结果显示,即便是在睡眠期间,每个指垫依旧可以在 10 个小时之内产生 20 到 40 微瓦的功率。而且,按压一次手指还可以产生额外的能量,这足以支持一个电子手表 24 小时的能量消耗。


同时,这也意味着可自我持续的小型穿戴设备离大众正越来越近。


可穿戴汗液传感器 “大战” 拉开帷幕,众设备相继涌现


事实上,由汗液驱动的电子设备并不是第一次出现。


早在2017年,该研究团队便进行过类似的实验活动,而且成功研制出可为收音机供电的皮肤贴片。


但当时这款设备还不完善,由于需要大量的液体来进行驱动,穿戴者不得不采取相对较为激烈的运动方式,以保证汗液的正常收集。



2016年,加州理工学院医学工程系高伟团队提出全集成可穿戴汗液传感器平台。同时,在经过一系列实验后,该团队开发出一种全集成电子皮肤,可利用收集到的汗液来进行驱动,从而为传感器、信号处理和蓝牙无线传输等提供能量。这项工作于2020年4月,以论文形式发表在Science Robotics杂志上。


此外,2019年,美国加州大学圣地亚哥分校和法国格勒诺布尔 - 阿尔卑斯大学(Université Grenoble Alpes,UGA)的联合研究团队也对此项目展开过合作,并成功开发出一种新型的可穿戴式器件,只要贴附于手臂,就会与酶发生氧化反应,从而持续提供电能。


而在中国,亦不乏相关的可穿戴汗液传感器研究。不过由于暂无详细的数据佐证,目前这些可穿戴电子器件的性能尚无法判断优劣。


不过,它们都有着一个很明显的共同点,即汗液发电设备并不是最终目标,而仅仅只是系列研究中的重要一环,其它诸如健康营养追踪、****物剂量检测等非侵入式人体治疗以及环境监测才是未来研究的主要方向。


未来,可穿戴汗液传感器用于个性化精准医疗或许将成为趋势。不过陆寅也表示,由于氧化汗液的酶一般会在两周后失去功效,因此,还需要创造出一种可永久性使用的稳定酶,这也是该团队下一步的重要目标。


来源:微流控


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