来源:Micromachines 发布时间:2021/9/29 11:21:33
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中科院王中林院士团队:健康监测新帮手——摩擦纳米发电智能可穿戴传感器 | MDPI Micromachines

论文标题:Smart Wearable Sensors Based on Triboelectric Nanogenerator for Personal Healthcare Monitoring(健康监测新帮手——摩擦纳米发电智能可穿戴传感器)

期刊:Micromachines

作者:Ruonan Li, Xuelian Wei, Jiahui Xu, Junhuan Chen, Bin Li, Zhiyi Wu and Zhong Lin Wang

发表时间:25 March 2021

DOI:10.3390/mi12040352

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期刊链接:

https://www.mdpi.com/journal/micromachines

可穿戴医疗设备在监控和分析人体健康信息方面发挥着重要作用,是疾病早发现、早诊断、早治疗的有效方法。结合生物传感器技术、无线通信技术和生命医学知识,可穿戴医疗设备可实现对人体健康信息的实时监控和分析。然而,传统的可穿戴监测器的电力主要由化学电池提供,化学电池体积大、佩戴不便,而且还需要频繁充电,使得可穿戴医疗设备的应用受到极大限制。近年来,摩擦电纳米发电机被证明可以有效地将机械能转化为电能,并且具有灵敏度高、适应性强、环境友好等优点,被认为是人类机械能收集和自供电传感的潜在替代品。因此,设计一种不受使用时间限制、可灵活佩戴的传感设备,对人类的健康具有重要意义。

近期,来自中国科学院王中林院士团队在期刊Micromachines上发表了一篇题为“Smart Wearable Sensors Based on Triboelectric Nanogenerator for Personal Healthcare Monitoring”的文章。文中设计了一款自供电智能可穿戴监测器,可轻易捕获不同材料摩擦产生的电荷,既可以作为手环或脚环佩戴,也可以粘在身体或衣服上。具有体积小、重量轻、稳定性好、反应迅速、实时监测、识别准确、预警及时等优点。尤其不受时间和地点的限制、可灵活佩戴的特点,为人体运动监测和健康评估提供了更方便的选择,可广泛应用于运动跟踪和医疗保健系统中。

智能可穿戴监测器设计

如图1所示,采用激光切割法制备两个内径16mm、外径20mm、厚度10mm的聚丙烯圆环和两个直径10mm、厚度1mm的聚丙烯圆片。然后在圆片的中心和圆环上分别钻出直径1mm的圆孔。将铜油膏均匀涂于圆环的内侧和圆片中心半径3mm的圆形区域内,作为电极。随后,采用纳米成型工艺在铜电极表面制备出50um厚的聚四氟乙烯薄膜 (PTFE膜)。以直径6mm的铁球作为摩擦材料,再在聚丙烯圆片上粘接两片薄聚丙烯圆环,防止铁球同时与圆环和圆片接触。

图1. (a) 智能可穿戴监测器模型图;(b) 智能可穿戴监测器的实物照片。

实验结果与讨论

1) 智能可穿戴监测器的工作原理

SWS的工作原理是建立在摩擦生电和静电感应的耦合效应上。如图2所示,由于铁球在PTFE膜上运动,PTFE膜下的Cu电极会产生分布不均匀的电荷,电子会在两个电极之间转移以平衡局部电位分布。因此,根据铁球不同的运动状态,电极之间会产生不同的电流。当铁球与PTFE薄膜接触时,由于铁球与PTFE薄膜之间的电子亲合力不同,电子从铁球表面转移到PTFE薄膜表面,使得PTFE薄膜带负电荷,铁球带正电荷。但此时,摩擦正电荷与负电荷相互抵消,电极上无电流输出 (图2a)。而一旦铁球向右运动,电场的平衡被打破,电势差驱使左电极上的电子向右电极移动,从而产生向左的电流来平衡电势差 (图2a);当铁球运动到最右端时,电势重新平衡 (图2a)。同样,当铁球向左运动时,电势差驱动电子流动就会产生向右的电流 (图2a),铁球的来回运动,便可以产生连续变化的电流信号。

图2. 智能可穿戴监测器 (SWS) 工作原理。

2) SWS运动状态监测

图3a显示了SWS放置在手腕上时的信号。当手腕向前摆动时,SWS侦测到一个波谷;当手腕向后摆动时,SWS侦测到一个波峰,并且不同运动状态下的振幅和响应时间不同,从原地踏步、行走到跑步,随着运动状态的加剧,振幅随之增大,响应时间也减小。图3b显示了SWS被放置在鞋上时,不同运动状态下的信号输出变化。当鞋子踏在地板上时,可以检测到一个波谷,当鞋子离开地板时,可以检测到一个波峰。而且不同运动状态对应的振幅和响应时间也不同。

图3. SWS在不同部位 (a) 手腕和 (b) 鞋的运动状态监测信号。

3) SWS跌倒报警系统和睡眠监控

为了验证SWS在实际场景的应用,该研究团队设计了由SWS、微处理器、发射器、接收器和分析软件组成的实时监测系统。如图4a,(1) 当用户行走时,SWS产生连续的电信号输出,微处理器显示“0”,手机显示“行走”状态。(2) 如果用户跌倒在地上,SWS不产生电信号输出,微处理器显示“1”,手机显示“跌倒”并激活警报,同时手机在几秒钟内自动给使用者的亲人或家庭医生打电话。SWS也可以佩戴在颈部实时监控睡眠状态,如图4b所示。根据振幅和响应时间的差异,可以对使用者进行健康监测和医疗护理。当出现异常时,监测系统可及时提醒家属。

图4. SWS用于 (a) 运动状态监测和 (b) 睡眠状态监测。

期刊简介

Micromachines (ISSN 2072-666X, IF 2.891) 是MDPI 组织出版的国际型开放获取期刊。期刊研究内容涉及微/纳米结构、材料、器件、系统及与微纳技术相关的基础研究及应用。目前期刊已被SCIE、Ei Compendex、Scopus等数据库收录。Micromachines采取单盲同行评审,一审周期约为12.6天,文章从接收到发表仅需1.9天。

 
 
 
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