創(chuàng )可貼式可穿戴傳感器利用汗水“發(fā)電”

近日，來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California，San Diego）的研究團隊設計了一種新型能量收集裝置。該設備只有幾厘米寬、形似創(chuàng )可貼，是一種基于觸摸的乳酸生物燃料電池，通過(guò)利用指尖的高被動(dòng)排汗率進(jìn)行生物能量收集，進(jìn)而為穿戴設備持續提供能量。

研究者稱(chēng)，這種設備是有史以來(lái)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(lái)可穿戴電子產(chǎn)品的高效實(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》（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）擔任論文通訊作者。

新型能量 “圣杯”——汗水收集器問(wèn)世

“對于能源自主型的可穿戴系統來(lái)說(shuō)，其實(shí)主要依靠實(shí)用且高效的能量收集器來(lái)持續提供電力?！?陸寅在論文中介紹道。

然而，當前大多數的生物能量收集器依賴(lài)的并不是陽(yáng)光等不規則外部能源，而是基于人體自身的超負荷身體運動(dòng)，比如超強度的跑步或騎自行車(chē)。

該方式對人的負荷很大，而且并不高效。研究數據顯示，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?；a(chǎn)進(jìn)程，因此，這種自主供能方式很少被采納且幾乎得不到實(shí)際應用。

而此時(shí)，汗液中一種被稱(chēng)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，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(dòng)的情況下，依舊會(huì )持續產(chǎn)生汗水。

“無(wú)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(dòng)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^(guān)?！?陸寅表示。

而且為了加速汗水的收集，該設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(chēng)呼就此而來(lái)。

該研究結果顯示，即便是在睡眠期間，每個(gè)指墊依舊可以在 10 個(gè)小時(shí)之內產(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(gè)電子手表 24 小時(shí)的能量消耗。

同時(shí)，這也意味著(zhù)可自我持續的小型穿戴設備離大眾正越來(lái)越近。

可穿戴汗液傳感器 “大戰” 拉開(kāi)帷幕，眾設備相繼涌現

事實(shí)上，由汗液驅動(dòng)的電子設備并不是第一次出現。

早在2017年，該研究團隊便進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗活動(dòng)，而且成功研制出可為收音機供電的皮膚貼片。

但當時(shí)這款設備還不完善，由于需要大量的液體來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)，穿戴者不得不采取相對較為激烈的運動(dòng)方式，以保證汗液的正常收集。

2016年，加州理工學(xué)院醫學(xué)工程系高偉團隊提出全集成可穿戴汗液傳感器平臺。同時(shí)，在經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗后，該團隊開(kāi)發(fā)出一種全集成電子皮膚，可利用收集到的汗液來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)，從而為傳感器、信號處理和藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸等提供能量。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)合研究團隊也對此項目展開(kāi)過(guò)合作，并成功開(kāi)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，從而持續提供電能。

而在中國，亦不乏相關(guān)的可穿戴汗液傳感器研究。不過(guò)由于暫無(wú)詳細的數據佐證，目前這些可穿戴電子器件的性能尚無(wú)法判斷優(yōu)劣。

不過(guò)，它們都有著(zhù)一個(gè)很明顯的共同點(diǎn)，即汗液發(fā)電設備并不是最終目標，而僅僅只是系列研究中的重要一環(huán)，其它諸如健康營(yíng)養追蹤、****物劑量檢測等非侵入式人體治療以及環(huán)境監測才是未來(lái)研究的主要方向。

未來(lái)，可穿戴汗液傳感器用于個(gè)性化精準醫療或許將成為趨勢。不過(guò)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，還需要創(chuàng )造出一種可永久性使用的穩定酶，這也是該團隊下一步的重要目標。

來(lái)源：微流控