創(chuàng)可貼式可穿戴傳感器利用汗水“發(fā)電”

與非網(wǎng)訊? 近日，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California，San Diego）的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型能量收集裝置。該設(shè)備只有幾厘米寬、形似創(chuàng)可貼，是一種基于觸摸的乳酸生物燃料電池，通過利用指尖的高被動(dòng)排汗率進(jìn)行生物能量收集，進(jìn)而為穿戴設(shè)備持續(xù)提供能量。

研究者稱，這種設(shè)備是有史以來最有效的身體能量收集器之一，它甚至可以在佩戴者靜止的情況下依舊保持工作狀態(tài)，對(duì)未來可穿戴電子設(shè)備的高效實(shí)用能源研究具有重大意義。

7 月13日，上述相關(guān)研究以《被動(dòng)排汗生物燃料電池：高能量投資回報(bào)》（A passive perspiration biofuel cell: High energy return on investment）為題發(fā)表在Joule期刊。

該論文第一作者為加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系博士生陸寅（Lu Yin），由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授、可穿戴傳感器中心主任約瑟夫?王（Joseph Wang）擔(dān)任論文通訊作者。

新型能量 “圣杯”——汗水收集器問世

“對(duì)于能源自主型的可穿戴系統(tǒng)來說，其實(shí)主要依靠實(shí)用且高效的能量收集器來持續(xù)提供電力?！?陸寅在論文中介紹道。

然而，當(dāng)前大多數(shù)的生物能量收集器依賴的并不是陽光等不規(guī)則外部能源，而是基于人體自身的超負(fù)荷身體運(yùn)動(dòng)，比如超強(qiáng)度的跑步或騎自行車。

該方式對(duì)人的負(fù)荷很大，而且并不高效。研究數(shù)據(jù)顯示，只有1%不到的機(jī)械能量能夠得到有效收集。極低的利用效率顯然阻礙了其規(guī)?；a(chǎn)進(jìn)程，因此，這種自主供能方式很少被采納且?guī)缀醯貌坏綄?shí)際應(yīng)用。

可穿戴電子設(shè)備用指尖汗液 “發(fā)電”

加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程教授 Joseph Wang 說：“通過利用指尖上的汗水--無論你在哪里或在做什么，它都會(huì)自然流出--這項(xiàng)技術(shù)在用戶不付出任何努力的情況下提供了凈能量?！?/p>

由于這個(gè)設(shè)備不需要佩戴者的任何物理輸入就能工作，它“在使可穿戴設(shè)備對(duì)普通人來說更實(shí)用、更方便和更容易獲得方面邁出了一步”，研究報(bào)告的共同作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系博士生 Lu Yin 在一份聲明中說。加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員以前曾研究過將汗水轉(zhuǎn)化為電能的臨時(shí)紋身。

研究人員說，該設(shè)備有可能為工作在毫瓦范圍內(nèi)的低功率電子產(chǎn)品供電，如智能手表，但它還不適合持續(xù)為高性能電子產(chǎn)品供電，如智能手機(jī)。

Yin 說：“我們的目標(biāo)是使這成為一個(gè)實(shí)用的設(shè)備。我們想表明，這不僅僅是另一個(gè)可以產(chǎn)生少量能量的很酷的東西，然后就這樣了。我們實(shí)際上可以利用這些能量來為有用的電子產(chǎn)品供電，如傳感器和顯示器?！?/p>

每個(gè)人的指尖都有一千多個(gè)汗腺，可以產(chǎn)生比身體其他大部分部位多 100 到 1000 倍的汗液。不過，你可能很難注意到它們有多汗，因?yàn)楹顾ǔＲ怀鰜砭蛷闹讣庹舭l(fā)掉了，這個(gè)新設(shè)備在蒸發(fā)之前就將其收集起來。

該設(shè)備是一種名為生物燃料電池的能量收集器，由乳酸（一種溶解在汗液中的化合物）提供動(dòng)力。從外觀看，它是一條薄而柔軟的帶子，大小約為 1 平方厘米，可以像創(chuàng)可貼一樣纏繞在指尖上，可長時(shí)間舒適佩戴。設(shè)備的材質(zhì)是由碳納米管材料制成的泡沫，同時(shí)還有一種有助于最大限度吸汗的水凝膠。

碳泡沫電極的襯墊緊貼手指，吸收汗水并將其轉(zhuǎn)化為電能。電極上裝有酶，可以觸發(fā)汗液中的乳酸和氧分子之間的化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。在電極下面是一個(gè)由壓電材料制成的芯片，當(dāng)受到擠壓時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生額外的電能。

當(dāng)佩戴者流汗或按壓手指時(shí)，電能被儲(chǔ)存在一個(gè)小電容器中，并在需要時(shí)釋放到其他設(shè)備。

一個(gè)受試者在指尖戴著該設(shè)備睡了 10 個(gè)小時(shí)，該設(shè)備收集了 400 毫焦耳的能量，這足以為一個(gè)電子手表（但不是智能手表）提供運(yùn)行 24 小時(shí)的能量。研究人員指出，將設(shè)備捆綁在更多的指尖上會(huì)產(chǎn)生更多的能量。

此外，該設(shè)備還可讀取身體維生素 C 水平和鹽水溶液中的鈉離子水平。

可穿戴汗液傳感器 “大戰(zhàn)” 拉開帷幕，眾設(shè)備相繼涌現(xiàn)

事實(shí)上，由汗液驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備并不是第一次出現(xiàn)。

早在2017年，該研究團(tuán)隊(duì)便進(jìn)行過類似的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，而且成功研制出可為收音機(jī)供電的皮膚貼片。

但當(dāng)時(shí)這款設(shè)備還不完善，由于需要大量的液體來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，穿戴者不得不采取相對(duì)較為激烈的運(yùn)動(dòng)方式，以保證汗液的正常收集。

2016年，加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉團(tuán)隊(duì)提出全集成可穿戴汗液傳感器平臺(tái)。同時(shí)，在經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)后，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全集成電子皮膚，可利用收集到的汗液來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而為傳感器、信號(hào)處理和藍(lán)牙無線傳輸等提供能量。這項(xiàng)工作于2020年4月，以論文形式發(fā)表在Science Robotics雜志上。

此外，2019年，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校和法國格勒諾布爾 - 阿爾卑斯大學(xué)（Université Grenoble Alpes，UGA）的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)也對(duì)此項(xiàng)目展開過合作，并成功開發(fā)出一種新型的可穿戴式器件，只要貼附于手臂，就會(huì)與酶發(fā)生氧化反應(yīng)，從而持續(xù)提供電能。

而在中國，亦不乏相關(guān)的可穿戴汗液傳感器研究。不過由于暫無詳細(xì)的數(shù)據(jù)佐證，目前這些可穿戴電子器件的性能尚無法判斷優(yōu)劣。

不過，它們都有著一個(gè)很明顯的共同點(diǎn)，即汗液發(fā)電設(shè)備并不是最終目標(biāo)，而僅僅只是系列研究中的重要一環(huán)，其它諸如健康營養(yǎng)追蹤、藥物劑量檢測(cè)等非侵入式人體治療以及環(huán)境監(jiān)測(cè)才是未來研究的主要方向。

未來，可穿戴汗液傳感器用于個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療或許將成為趨勢(shì)。不過陸寅也表示，由于氧化汗液的酶一般會(huì)在兩周后失去功效，因此，還需要?jiǎng)?chuàng)造出一種可永久性使用的穩(wěn)定酶，這也是該團(tuán)隊(duì)下一步的重要目標(biāo)。