UCSD Joseph Wang教授团队 Nat. Electron.：指尖可穿戴微电网 - 自主能量管理和代谢监测

2024-09-04 来源：高分子科技

可穿戴传感器能够实时测量不同的生物信号，具有从健康监测到人机交互等多种应用潜力。然而，这类设备的广泛应用受到多种实际限制的制约，包括安全性和生物相容性问题、大型设备体积、不可靠的操作以及使用不便等。为满足某些需求，往往需要在设计上做出权衡。例如，为减少对电池的需求，常使用有线或短距离无线电源，这会限制用户的活动自由。使用刚性电池虽然减少了电源问题，但却增加了设备的体积，并且需要频繁充电或更换电池，还可能带来安全隐患。另外，可穿戴能量收集器虽然可以集成到系统中，但它们依赖于特定的外部环境（如光和温度）或用户活动（如运动和锻炼）来获取能量，这增加了系统的复杂性，需增加转换和调节电路，导致能量损耗。此外，连续的汗液生物标志物监测通常依赖于体力活动或电刺激来提取汗液，这进一步增加了能量消耗，限制了这类系统的实用性和用户友好性。

近期研究表明，创建具有兼容外形尺寸、相应功率等级和在传感与能量模式之间具备互补特性的可穿戴微电网系统的可行性。这样的系统依赖于将能量收集与能量存储功能整合在一起，并具有匹配的电气特性，以最大限度地减少能量转换过程中的损耗，提高能量的可靠性并延长设备的运行时间。这些能量系统应与具有相似外形尺寸的电子元件和传感组件相结合，并针对特定的使用场景进行优化，从而减少设备的体积并提高其实用性。为了进一步发展可穿戴微电网，特别需要解决与可持续自主供电、微型化、自我调节、按需多传感器生物标志物检测、安全性以及舒适佩戴性相关的挑战。

加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授团队介绍了一种用于指尖可穿戴微电网（ fingertip-wearable microgrid system ）创新概念，该器件是一个自主汗液发电、储能且汗液靶标物质监测系统，穿戴在指尖操作，旨在克服可穿戴健康监测平台中的能源供应、传感能力、电路调节和体积较大等限制。具体来说，这个系统使用基于酶生物燃料电池和AgCl-Zn柔性电池的可穿戴微电网来分别从汗液中收集和储存生物能量。通过渗透作用，该系统能持续为传感器阵列提供汗液，以便进行按需的多代谢物检测，并结合低功耗电子设备进行信号采集和无线数据传输。该系统完全由指尖出汗供能，能够在长时间内检测到葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴等物质。这种创新性的解决方案不仅展示了先进的传感模式，还将电子设备集成在可穿戴平台中，具有潜在的广泛应用前景。相关成果以（A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring）为题发表在《Nature Electronics》上。加州大学圣地亚哥分校丁士超博士为第一作者，Tamoghna Saha博士和尹鹿博士为共同第一作者。

图1. 指尖式可穿戴一体化微电网原理与设计

指尖可穿戴微电网系统系统包括四个生物燃料电池（BFCs）、两个氯化银-锌（AgCl-Zn）电池、一个柔性印刷电路板（fPCB）、四个电位电化学传感器以及一个基于水凝胶的渗透性汗液泵送系统，带有激光刻蚀的纸质微流体通道传递汗液。电路、可拉伸电池和传感器是逐层丝网印刷在SEBS热塑性弹性体基底上，SEBS和可拉伸银墨制成的电路具有高机械弹性，在20%的拉伸情况下不会出现断裂。串联连接的BFCs显示开路电压为1.4V，在1V时达到最大功率输出。这一电压确保BFCs始终在运行时能够成功为1V的AgCl-Zn电池充电。串联连接的两个AgCl-Zn电池生成约2V的组合电压，足以持续为MCU供电。开发的四组电化学传感器组装用于连续电位测定葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴。激光刻蚀的微流体纸质通道实现了渗透性泵送，使指尖汗液在日常活动中有效提取并引导至传感器。MCU收集来自电化学传感器的信号，通过ADC将其转换为可读数据，并通过蓝牙低功耗（BLE）传输以供进一步分析。

图2. BFC和柔性AgCl-Zn电池的表征。

指尖能量管理模块的设计及是基于生物燃料电池（BFCs）和AgCl-Zn电池的化学性质以及它们之间的相互作用。BFCs工作原理是基于乳酸氧化酶（LOx）的阳极促进了乳酸向丙酮酸的氧化反应，而基于胆红素氧化酶（BOD）的阴极则进行了氧还原反应。单个BFC在0.5V时，随着乳酸浓度的增加，其电流密度最高可达约120μA/cm2，并且在10小时的长时间操作后生成了约634mJ的能量。柔性可拉伸AgCl-Zn电池作为能量储存单元，通过调整墨水配方，使电极材料与基底兼容，确保了机械拉伸性、轻量化设计和用户舒适性，并且在反复的机械变形下表现出灵活性和耐用性。BFC和AgCl-Zn集成柔性能量收集和储存单元能够承受常见的机械变形，如弯曲、包裹和拉伸，且有在形变条件下性能保持稳定基于设计的自我调节原理，在典型的汗液乳酸浓度为15mM下，串联的BFC为AgCl-Zn电池充电。当将完全放电的AgCl-Zn电池连接到BFC时，持续供应了16-19μA的电流。电池电压持续超过1V，并在充电8小时后可以支持25μA的放电超过6小时，累积的能容量超过150μAh，达到了电池容量的60%。

图3. In vivo 能量收集与电池充电。

该部分详细介绍了通过指尖生物燃料电池（BFCs）进行人体能量收集和电池充电的研究结果。通过不同条件下指尖触摸BFC测量评估了其生物能量收集能力。实验表明，延长BFC与汗液的接触时间可以增加收集的能量。在不同参与者的桌面工作或休息条件下，收集的能量取决于个体的汗液乳酸浓度，常规工作对基于被动出汗的能量收集影响较小。单个BFC在1小时内可收集平均为72.5mJ的能量，在8小时的日间办公期间能收集超过500mC的电荷，而在夜间睡眠8小时期间收集了近300mJ的能量。通过分析BFC为AgCl-Zn电池充电能力，发现白天和夜间8小时操作期间分别收集了约125和90μAh的能量，表明生物能量模块能够在长时间内连续收集并存储能量。

图4. 渗透性汗液驱动的生物化学传感平台。

本图介绍了由渗透性汗液驱动的微流体生物化学传感平台的设计与性能。该平台由三大组件组成：水凝胶、电化学传感器阵列和纸基微流体通道。渗透性汗液驱动的平台包括水凝胶、电化学传感器阵列和纸质微流体通道。纸质通道夹在水凝胶和指尖之间，而传感器阵列与通道的入口区域相连接。在与指尖接触时，水凝胶通过渗透作用直接从皮肤表面提取汗液，无需任何外部电源。渗透压作为一种依赖于化学势差的本征属性，确保了汗液的提取过程仅依赖于凝胶与汗液之间的化学势差。提取的汗液流入纸质通道，通道具有高表面积的蛇形结构以支持长时间的汗液收集。纸张的亲水性使得汗液能够通过毛细管作用迅速运输到传感器阵列。平台被用于连续监测四种与日常生活相关的生物标志物：维生素C、葡萄糖、乳酸和左旋多巴。

图5. 集成指尖可穿戴微电网系统的运行。

集成指尖可穿戴微电网系统具有较低的功耗消耗，生物相容性，佩戴在指尖能够实现在日常活动中的生物标志物监测，通过常规活动（如桌面工作、进餐、饮水、步行和睡眠）实时跟踪四种生物标志物的变化，同时进行能量收集。功耗跟踪显示，系统在运行期间的功耗低于2mW，且在空闲、测试和BLE传输模式下的工作电压高于1.8V，确保了MCU的连续运行时间可达16小时。检测到的生物标志物水平可以通过手机APP或笔记本网页应用程序实时翻译并显示给使用者。
该系统能够通过渗透提取实现多个生物标志物的连续和长时间监测，展示了其在日常活动追踪中的高效性和实用性。这种集成的微电网系统在无创健康监测和日常生理参数跟踪方面具有广阔的应用前景。该指尖可穿戴微电网平台在个性化健康监测和健康管理的多个场景中具有广泛的应用潜力。通过对电路设计、电池、低功耗传感模块和数据传输技术的合理优化，可以显著提高设备的寿命、稳定性和功能性，并在整个系统中保持能量生成与消耗之间的持续平衡。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01236-7

作者简介

Joseph Wang教授

Joseph Wang是美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）化学与纳米工程学的杰出教授、SAIC捐赠教授兼可穿戴传感器中心主任。在过去的30年里，Wang教授在微型机器人、可穿戴传感器和生物电子学领域做出了开创性的贡献。王及其研究团队所取得的进展至今已在Nature, Nature Medicine, Nature Materials, Nature Electronics, Nature Review Materials, Nature Biomedical Engineering, Science Robotics, Science Advances, 等期刊发表1200多篇论文，引用超过170,000次，H因子208。Wang教授是美国国家发明家科学院（NIA），英国皇家化学学会（RSC）、电化学学会（ECS）和美国医学与生物工程院（AIMBE）的院士。他已发表超过1300篇研究论文，撰写了12本书籍，并拥有60项专利。自2015年以来，他一直是汤森路透的高被引研究者（H指数为208）。Wang教授还被8所不同的大学授予名誉教授头衔，并获得了3项美国化学会（ACS）国家奖（分析化学、电化学和仪器奖）、Pittcon生物分析化学奖、2021年Talanta奖章、Breyer奖章（澳大利亚）、Heyrovsky奖章（捷克）和Speirs奖章（RSC）、国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）分析化学奖章，以及2021年IEEE传感器成就奖。

丁士超博士

加州大学圣地亚哥博士后研究员，博士毕于华盛顿州立大学，师从电化学领域国际知名专家Yuehe Lin院士，主要研究方向是纳米材料的结构设计及其在电催化、生物传感及生物医药方面的应用。后加入加利福尼亚大学圣地亚哥分校杰出教授Joseph Wang院士课题组开展博士后研究，主要研究内容是可穿戴柔性电子器件。目前在Nature Medicine, Nature Electronics, Nature Review Materials, Nature Synthesis, Nature Review Endocrinology, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Analytical Chemistry,等期刊共发表SCI论文75篇，以第一作者或通讯作者共发表SCI论文33篇，引用3000+余次，H因子30。目前担任Advanced Energy Conversion Materials期刊副主编, The Innovation (Cell press, IF=33.1), Advanced Powder Materials (Elsevier, IF=28.6), Exploration, The Innovation Materials, Interdisciplinary Medicine, Soft Science, Energy Materials and Devices期刊青年编委, Discover Catalysis期刊编委，Discover Nano, Micro and Nano Systems Letters等期刊客座/主题编辑，和Nature Synthesis, Nature Communications等100多个国际期刊审稿人, 审稿350+余次。

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（责任编辑：xu）

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