创可贴式可穿戴传感器利用汗水“发电”

与非网讯  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，对未来可穿戴电子设备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。

可穿戴电子设备用指尖汗液 “发电”

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授 Joseph Wang 说：“通过利用指尖上的汗水--无论你在哪里或在做什么，它都会自然流出--这项技术在用户不付出任何努力的情况下提供了净能量。”

由于这个设备不需要佩戴者的任何物理输入就能工作，它“在使可穿戴设备对普通人来说更实用、更方便和更容易获得方面迈出了一步”，研究报告的共同作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程系博士生 Lu Yin 在一份声明中说。加州大学圣地亚哥分校的研究人员以前曾研究过将汗水转化为电能的临时纹身。

研究人员说，该设备有可能为工作在毫瓦范围内的低功率电子产品供电，如智能手表，但它还不适合持续为高性能电子产品供电，如智能手机。

Yin 说：“我们的目标是使这成为一个实用的设备。我们想表明，这不仅仅是另一个可以产生少量能量的很酷的东西，然后就这样了。我们实际上可以利用这些能量来为有用的电子产品供电，如传感器和显示器。”

每个人的指尖都有一千多个汗腺，可以产生比身体其他大部分部位多 100 到 1000 倍的汗液。不过，你可能很难注意到它们有多汗，因为汗水通常一出来就从指尖蒸发掉了，这个新设备在蒸发之前就将其收集起来。

该设备是一种名为生物燃料电池的能量收集器，由乳酸（一种溶解在汗液中的化合物）提供动力。从外观看，它是一条薄而柔软的带子，大小约为 1 平方厘米，可以像创可贴一样缠绕在指尖上，可长时间舒适佩戴。设备的材质是由碳纳米管材料制成的泡沫，同时还有一种有助于最大限度吸汗的水凝胶。

碳泡沫电极的衬垫紧贴手指，吸收汗水并将其转化为电能。电极上装有酶，可以触发汗液中的乳酸和氧分子之间的化学反应来发电。在电极下面是一个由压电材料制成的芯片，当受到挤压时，它会产生额外的电能。

当佩戴者流汗或按压手指时，电能被储存在一个小电容器中，并在需要时释放到其他设备。

一个受试者在指尖戴着该设备睡了 10 个小时，该设备收集了 400 毫焦耳的能量，这足以为一个电子手表（但不是智能手表）提供运行 24 小时的能量。研究人员指出，将设备捆绑在更多的指尖上会产生更多的能量。

此外，该设备还可读取身体维生素 C 水平和盐水溶液中的钠离子水平。

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、药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。