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來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年08月29日 02:49

可穿戴傳感器廣泛應(yīng)用受限于安全性、生物相容性、大型設(shè)備體積和復(fù)雜操作等問題。為減少電池需求，設(shè)備設(shè)計(jì)需要在使用有線電源和剛性電池之間做出權(quán)衡，而能量收集器則依賴外部環(huán)境或用戶活動(dòng)，增加系統(tǒng)復(fù)雜性和能量損耗。近期研究展示了將能量收集與存儲(chǔ)整合的微電網(wǎng)系統(tǒng)的可行性，這種系統(tǒng)通過優(yōu)化與傳感組件的匹配性，提升能量利用效率并延長運(yùn)行時(shí)間，但仍需解決自主供電、微型化和舒適性等挑戰(zhàn)。

近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Joseph Wang教授團(tuán)隊(duì)在Nature Electronics發(fā)表了題為“A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring”的文章。該研究介紹了一種創(chuàng)新的指尖可穿戴微電網(wǎng)系統(tǒng)，集自主汗液發(fā)電、儲(chǔ)能和汗液靶標(biāo)物質(zhì)監(jiān)測功能于一體，佩戴在指尖操作，旨在克服傳統(tǒng)可穿戴健康監(jiān)測平臺(tái)中的能源供應(yīng)、傳感能力、電路調(diào)節(jié)和體積較大等問題。

指尖能量管理模塊的設(shè)計(jì)及是基于生物燃料電池（BFCs）和AgCl-Zn電池的化學(xué)性質(zhì)以及它們之間的相互作用。BFCs通過陽極的乳酸氧化和陰極的氧還原反應(yīng)，在0.5V時(shí)可實(shí)現(xiàn)最高約120μA/cm2的電流密度，并在10小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生約634mJ的能量。柔性可拉伸AgCl-Zn電池作為能量儲(chǔ)存單元，確保機(jī)械拉伸性、輕量化和用戶舒適性，并在反復(fù)機(jī)械變形下表現(xiàn)出靈活性和耐久性。集成的BFC和AgCl-Zn電池系統(tǒng)在15mM乳酸濃度下，為AgCl-Zn電池充電，持續(xù)供應(yīng)16-19μA電流，電池電壓超過1V，8小時(shí)充電后支持25μA放電超過6小時(shí)，累積能量容量超過150μAh。

通過不同條件下指尖觸摸BFC測量評(píng)估了其生物能量收集能力，結(jié)果表明延長與汗液接觸時(shí)間可增加收集的能量。單個(gè)BFC在日間辦公和夜間睡眠8小時(shí)內(nèi)分別收集了約125和90μAh的電量，顯示出其在長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定收集并存儲(chǔ)能量的能力。

由滲透性汗液驅(qū)動(dòng)的微流體生物化學(xué)傳感平臺(tái)由水凝膠、電化學(xué)傳感器陣列和紙基微流體通道組成，通過滲透作用從皮膚表面提取汗液并運(yùn)輸至傳感器陣列，連續(xù)監(jiān)測維生素C、葡萄糖、乳酸和左旋多巴四種生物標(biāo)志物。該系統(tǒng)具有生物相容性，低功耗（低于2mW），可通過日?；顒?dòng)實(shí)時(shí)收集和監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保MCU連續(xù)運(yùn)行達(dá)16小時(shí)。檢測結(jié)果可以通過手機(jī)APP或網(wǎng)頁應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)翻譯并顯示給用戶。

該系統(tǒng)通過滲透提取實(shí)現(xiàn)多個(gè)生物標(biāo)志物的連續(xù)監(jiān)測，展現(xiàn)了在日?；顒?dòng)追蹤中的高效性和實(shí)用性，具有在無創(chuàng)健康監(jiān)測和日常生理參數(shù)跟蹤方面的廣闊應(yīng)用前景。通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、電池和低功耗傳感模塊，可顯著提高設(shè)備的壽命、穩(wěn)定性和功能性，保持能量生成與消耗的持續(xù)平衡，使其在個(gè)性化健康監(jiān)測和管理中具有廣泛應(yīng)用潛力。

論文鏈接：

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

注：此研究成果摘自《Nature Electronics》雜志，文章內(nèi)容并不代表本網(wǎng)站的觀點(diǎn)和和立場，僅供參考。

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