創(chuàng)可貼式可穿戴傳感器利用汗水“發(fā)電”

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)隊設(shè)計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)，對未來可穿戴電子產(chǎn)品的高效實用能源研究具有重大意義。

7 月13日，上述相關(guān)研究以《被動排汗生物燃料電池：高能量投資回報》（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

“對于能源自主型的可穿戴系統(tǒng)來說，其實主要依靠實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)荷身體運動，比如超強度的跑步或騎自行車。

該方式對人的負(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)模化生產(chǎn)進(jìn)程，因此，這種自主供能方式很少被采納且?guī)缀醯貌坏綄嶋H應(yīng)用。

而此時，汗液中一種被稱作“乳酸”的可溶化合物吸引了研究員們的關(guān)注。他們發(fā)現(xiàn)，乳酸在被酶氧化后，可以產(chǎn)生強度不錯的電能。

而指尖又是人體汗腺最集中的部位，即使佩戴者在保持靜止不動的情況下，依舊會持續(xù)產(chǎn)生汗水。

“無論你的手多么干凈，都很容易留下指紋。那基本上都是你汗水的殘留物，我們所做的就是利用這些代謝物。即使與真正劇烈運動產(chǎn)生的汗水相比，其出汗量微乎其微，但這種能量仍然非?？捎^?！?陸寅表示。

而且為了加速汗水的收集，該設(shè)備的制作材料中還包含了水凝膠。這是一種有助于最大限度地吸收汗水的材料，“圣杯” 的稱呼就此而來。

該研究結(jié)果顯示，即便是在睡眠期間，每個指墊依舊可以在 10 個小時之內(nèi)產(chǎn)生 20 到 40 微瓦的功率。而且，按壓一次手指還可以產(chǎn)生額外的能量，這足以支持一個電子手表 24 小時的能量消耗。

同時，這也意味著可自我持續(xù)的小型穿戴設(shè)備離大眾正越來越近。

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

事實上，由汗液驅(qū)動的電子設(shè)備并不是第一次出現(xiàn)。

早在2017年，該研究團(tuán)隊便進(jìn)行過類似的實驗活動，而且成功研制出可為收音機供電的皮膚貼片。

但當(dāng)時這款設(shè)備還不完善，由于需要大量的液體來進(jìn)行驅(qū)動，穿戴者不得不采取相對較為激烈的運動方式，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)隊提出全集成可穿戴汗液傳感器平臺。同時，在經(jīng)過一系列實驗后，該團(tuán)隊開發(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，從而為傳感器、信號處理和藍(lán)牙無線傳輸?shù)忍峁┠芰?。這項工作于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)隊也對此項目展開過合作，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，它們都有著一個很明顯的共同點，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、****物劑量檢測等非侵入式人體治療以及環(huán)境監(jiān)測才是未來研究的主要方向。

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

來源：微流控