新设备通过人体运动为可穿戴传感器供电

可监测心率和体温以及血糖和代谢副产物水平的廉价可穿戴传感器的出现使研究人员和卫生专业人员能够以前所未有的方式监测人类健康。但与所有电子设备一样,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、沉重且电量耗尽。

加州理工学院医学工程系 Andrew and Peggy Cherng 医学工程助理教授 Wei Gao 一直在开发这些传感器以及利用人体本身为它们供电的新方法。此前,他创造了一种传感器,可以监测由汗液本身驱动的人体汗液中的健康指标。

现在,Gao 开发了一种为无线可穿戴传感器供电的新方法:他收集人在四处走动时产生的动能。

这种能量收集是通过贴在人体皮肤上的一层薄薄的材料(特氟龙、铜和聚酰亚胺)来完成的。当人移动时,这些材料片与由铜和聚酰亚胺制成的滑动层摩擦,并产生少量电力。这种被称为摩擦带电的效应可能最好通过一个人走过铺有地毯的地板然后触摸金属门把手后可能受到的静电电击来说明。

“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连接到手臂内侧的滑块。滑块在人体运动过程中靠在定子上滑动,并产生电流是同时产生的,”高说。“这个机制非常简单。摩擦导致发电。这不是什么新概念。”

高说,新的是研究团队如何制造纳米发电机。

“我们不使用花哨的材料,而是使用市售的柔性电路板,”他说。“这种材料便宜且非常耐用,并且在很长一段时间内都具有机械坚固性。”

纳米发电机不会产生大量电力;事实上,人们需要一个表面积为 100 平方米的设备来为 40 瓦的灯泡供电。然而,高的可穿戴传感器具有低功耗要求,系统将产生的电力存储在电容器中,直到有足够的电量从传感器读取数据并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。然而,即使这个人相当久坐不动,传感器最终也会积累足够的电量来运行。

Gao 最终希望使用通过多种方法产生的电力来运行他的可穿戴传感器。例如,可穿戴设备可能使用汗水、摩擦发电机和小型可穿戴太阳能电池板产生的电。

描述这项研究的论文题为“由人体运动驱动的无线无电池可穿戴汗液传感器”,发表在《科学进展》杂志第 40 期。

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