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来源：柔智烩
基于柔性印刷电路板的摩擦电动纳米发电机，由人体运动驱动汗液传感器[导读]：无线可穿戴汗液生物传感器因其无创健康监测的潜力而获得了巨大的关注。由于高能耗是该领域的关键挑战，因此从人体运动中有效收集能量代表了可持续地为未来可穿戴设备供电的一种有吸引力的方法。尽管进行了大量的研究活动，但大多数可穿戴式能量收集器仍具有制造过程复杂，坚固性差和功率密度低的缺点，因此不适合进行连续生物传感。在这里，我们提出了一个高度耐用，可大量生产且无需电池的可穿戴平台，该平台可通过基于柔性印刷电路板（FPCB）的独立式摩擦电动纳米发电机（FTENG）有效地从人体运动中获取能量。经过精心设计的FTENG显示出约416 mWm²²的高功率输出。廉价的可穿戴传感器可以监测心率和体温以及血糖和代谢副产物的水平的出现，使研究人员和卫生专业人员以前所未有的方式监测人类健康。但是，像所有电子设备一样，这些可穿戴传感器需要电源。电池是一种选择，但不一定是理想的，因为它们可能体积庞大，笨重且电量耗尽。加州理工学院医学工程学助理教授，加州理工学院的高伟（Wei Gao）一直在开发这些传感器以及新颖的方法来利用人体自身为它们供电。在此之前，他创建了一种传感器，该传感器可以监测人类汗液中的健康指标，该传感器由汗液本身提供动力。现在，Gao已开发出一种为无线可穿戴传感器供电的新方法：他收集人移动时产生的动能。
这种能量收集是通过将薄薄的三明治材料（聚四氟乙烯，铜和聚酰亚胺）粘贴到人的皮肤上来完成的。随着人的移动，这些材料片在由铜和聚酰亚胺制成的滑动层上摩擦，并产生少量电能。这种现象被称为摩擦电，最好是人们在地毯上行走，然后触摸金属门把手后可能受到的静电冲击。
摩擦发电机由常用的商业材料制成，并在穿戴者移动时产生电能。
"我们的摩擦发电机，也称为纳米发电机，有一个固定在躯干上的定子和一个固定在手臂内侧的滑块。在人体运动过程中，滑块在定子上滑动，还有电流是同时产生的。" "机制非常简单。摩擦会产生电能。从概念上讲，这并不是新事物。"高说，新的是研究团队如何制造纳米发电机。
他说："我们不是使用高档材料，而是使用市售的柔性电路板。" "这种材料很便宜，非常耐用，并且在很长一段时间内具有机械强度。"
纳米发电机不会产生大量的电能。实际上，将需要一种表面积为100平方米的设备来为40瓦灯泡供电。但是，Gao的可穿戴传感器对电源的要求很低，并且系统将产生的电能存储在电容器中，直到有足够的电荷可以从传感器中读取读数，然后通过蓝牙将数据无线发送到手机。一个人移动得越多，传感器收集数据的频率就越高。即使此人久坐不动，传感器最终仍将积聚足够的能量进行操作。
微流控生物传感器贴片的体外特性研究。（A） 包含pH传感器和Na+的柔性生物传感器阵列示意图。在柔性PET基板上形成图案的传感器。（B和C）pH传感器在标准Mcllvaine缓冲溶液（B）和Na中的开路电位响应Na+Cl传感器溶液（C）插图显示了每个传感器的相应校准图。误差线代表六个独立测试的SDs。（D） 微流控设计示意图动态出汗取样。M型胶带，医用胶带。（E） Na+的动态响应传感器在不同流量下切换溶液浓度。（F） Na+动态响应的重复性，以2μl min−1的流速连续切换流入溶液。（G） 微流控传感器贴片适形贴附在人体皮肤上的示意图。微流控传感器贴片在机械变形下的光学图像。比例尺，5毫米。（H和I）Na+的反应：弯曲半径（200 cm和0）弯曲状态下（弯曲半径为200 cm和0 cm时）。数据记录暂停30秒以更改条件和设置。
无线动态排汗的人体穿戴实验分析。（A） 在各种练习中，基于六面板FPCB的FTENG的输出波形。（B和C）由FTENG充电的电容器的实时电位（B）和每个包传输的平均充电时间（C），当对象运行在以9 km小时−1的恒定速度在跑步机上运行1小时。（C）中的比率表示充电周期的百分比（充电持续时间在给定的时间范围内）在所有充电周期中。当电位达到3.3v时，由于BLE数据传输，电容器放电。（D）穿着FWS3在跑步机上的实验现场（E）恒速运行时，实时出汗pH和Na+通过无线方式从由锂电池和FTEN充电的可穿戴系统获得的电平。
Gao最终希望使用通过多种方法产生的能量来运行他的可穿戴传感器。例如，可穿戴设备可能会使用汗水，摩擦发电机和小型可穿戴太阳能电池板产生的电能。
描述该研究的论文名为"由人类运动驱动的无电池无线可穿戴汗水传感器"("Wireless battery-free wearable sweat sensor powered by human motion,")，发表在《Science Advances》杂志第40期上。
