近年來可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備逐漸成為科研領(lǐng)域的關(guān)注重點，尤其是在醫(yī)學(xué)健康檢測領(lǐng)域，輕量化、智能化可穿戴設(shè)備發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備在續(xù)航時間、傳感性能、尺寸等方面依然有很大提升空間，針對這一現(xiàn)象，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的研究團隊在《Nature Electronics》期刊上發(fā)布了一項重大創(chuàng)新成果，他們開發(fā)出了一款集自主能源管理與高效代謝監(jiān)測于一體的指尖可穿戴微電網(wǎng)系統(tǒng)。

該裝置緊緊纏繞在手指上，從一個意想不到的來源——指尖的汗液中獲取能量。盡管指尖很小，但卻是人體最活躍的汗腺之一，每個指尖都布滿了一千多個汗腺。即使在休息時，這些汗腺也能產(chǎn)生比身體其他部位多100到1000倍的汗液。這種持續(xù)不斷的自然排汗（無需任何刺激或體力活動）提供了可靠的能量來源，即使在不活動或睡眠期間也能為設(shè)備提供能量。

現(xiàn)有的可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備多依賴于外部電源或大型電池，這限制了用戶的活動范圍和設(shè)備的便攜性。此外，傳統(tǒng)能量收集方式如光照、溫度或運動產(chǎn)生的能量存在不穩(wěn)定性和間歇性問題，難以滿足持續(xù)監(jiān)測的需求。因此，研究人員致力于開發(fā)一種能夠高效收集并利用人體自身能量，實現(xiàn)自主供電的可穿戴系統(tǒng)。

集成指尖可穿戴微電網(wǎng)的原理與設(shè)計

加州大學(xué)圣地亞哥分校研發(fā)的汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備，由五個關(guān)鍵部分組成。生物燃料電池（BFCs）采用基于酶的生物燃料電池作為能源采集模塊。這些BFCs利用指尖汗液中的乳酸作為燃料，通過酶促反應(yīng)產(chǎn)生電能。乳酸是汗液中的一種常見代謝產(chǎn)物，特別是在輕度體力活動后，乳酸濃度會顯著增加，從而為BFCs提供了穩(wěn)定的能源來源。每個BFC單元通過特定的酶和電極設(shè)計，能夠高效地將乳酸的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不僅實現(xiàn)了能源的自給自足，還避免了傳統(tǒng)電池所需的頻繁更換和充電問題。

為了進一步提升能源存儲能力，研究團隊集成了可伸縮的AgCl-Zn電池模塊。這些電池與BFCs緊密配合，通過BFCs產(chǎn)生的電能進行充電，并在需要時為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力輸出。AgCl-Zn電池的優(yōu)勢在于其匹配的工作電壓、良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和安全性，同時采用了水性的中性電解質(zhì)，避免了腐蝕性物質(zhì)對皮膚的潛在傷害。此外，該電池采用了可伸縮設(shè)計，能夠適應(yīng)手指的日?；顒樱_保長時間佩戴的舒適性和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)的核心在于低功耗的微控制器單元（MCU），它負責(zé)整個系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸。該MCU采用了超低功耗設(shè)計，能夠在保證系統(tǒng)正常運行的同時，最大限度地延長電池壽命。通過集成藍牙低功耗（BLE）技術(shù)，MCU能夠?qū)崟r采集的生物標志物數(shù)據(jù)無線傳輸至智能手機或筆記本電腦，用戶可以隨時查看個人健康狀況，實現(xiàn)遠程健康監(jiān)測。

為了實現(xiàn)對多種生物標志物的連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)集成了多路復(fù)用電化學(xué)傳感器陣列。這些傳感器能夠精準檢測汗液中的葡萄糖、維生素C、乳酸和左旋多巴（levodopa）等關(guān)鍵代謝產(chǎn)物和藥物成分。傳感器陣列的設(shè)計充分考慮了穿戴舒適性和檢測精度，通過優(yōu)化電極材料和電解質(zhì)配置，實現(xiàn)了對目標分析物的高靈敏度檢測。同時，傳感器通過微流控紙通道與皮膚緊密接觸，利用滲透作用自然提取汗液，無需外部電源或刺激，進一步提升了系統(tǒng)的自主性和用戶友好性。

整個系統(tǒng)被巧妙地集成在一個靈活可伸縮的電路板上，該電路板采用了高分子彈性材料作為基底，確保了與手指形狀的完美貼合和長期佩戴的舒適性。通過先進的制造工藝和精密的電路設(shè)計，系統(tǒng)能夠在極小的體積內(nèi)集成所有必要的電子元件和傳感器，同時保持良好的電氣性能和機械穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)還采用了溶劑焊接等先進封裝技術(shù)，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和耐用性。

汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理基于高效的能源采集、存儲與智能化管理。首先，指尖的汗液作為天然的生化燃料，通過滲透作用被微流控紙通道收集并引導(dǎo)至生物燃料電池（BFCs）中。在BFCs內(nèi)，汗液中的乳酸等代謝產(chǎn)物在酶的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。這些電能隨后被用于充電至可伸縮的AgCl-Zn電池中，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能源支持。

BFC和柔性AgCl-Zn電池的表征

低功耗微控制器單元（MCU）作為系統(tǒng)的“大腦”，負責(zé)協(xié)調(diào)各個模塊的工作。它接收來自電化學(xué)傳感器陣列的原始信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）處理后，通過藍牙低功耗（BLE）技術(shù)將這些數(shù)據(jù)無線傳輸至用戶的智能設(shè)備。用戶可以在智能手機或筆記本電腦上實時查看自己的健康數(shù)據(jù)，包括葡萄糖、維生素C、乳酸和左旋多巴等生物標志物的濃度變化。

汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備運行原理

研究人員表示，該團隊研發(fā)的汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備微電網(wǎng)系統(tǒng)在多個領(lǐng)域具有很高的商業(yè)潛力，如個性化健康管理方面，該系統(tǒng)能夠為個人用戶提供全天候、無間斷的健康監(jiān)測服務(wù)。通過連續(xù)監(jiān)測生物標志物水平，用戶可以及時了解自己的身體狀況，調(diào)整生活方式和飲食習(xí)慣，預(yù)防疾病的發(fā)生。

此外，在遠程醫(yī)療監(jiān)護領(lǐng)域，該系統(tǒng)可作為醫(yī)生監(jiān)測患者健康狀況的重要工具。醫(yī)生可以遠程獲取患者的健康數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的干預(yù)措施，從而有效降低患者的就醫(yī)成本和醫(yī)療風(fēng)險。同時該系統(tǒng)也能夠?qū)\動健身、職業(yè)病預(yù)防等場景進行健康檢測。

研究團隊在9名健康受試者中進行了系統(tǒng)的性能測試。受試者在日常活動（如辦公、步行、飲食和睡眠）中佩戴該系統(tǒng)，同時監(jiān)測其指尖汗液中的生物標志物變化。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在長時間內(nèi)穩(wěn)定工作，準確監(jiān)測多種生物標志物水平。

體內(nèi)能量收集和充電電池

在日間活動中，單個BFC在8小時內(nèi)可收集約500 mJ的電能，在夜間睡眠期間，可收集約300 mJ的電能。這些電能足以支持系統(tǒng)連續(xù)工作超過16小時，并在必要時為AgCl-Zn電池充電。

傳感器在吸收滲透性汗液的情況下運行

研究人員表示，電化學(xué)傳感器能夠準確檢測指尖汗液中的葡萄糖、維生素C、乳酸和左旋多巴水平。在不同生理狀態(tài)下（如進食、運動后和睡眠中），傳感器能夠迅速響應(yīng)生物標志物的濃度變化，并實時反饋至用戶端，相比傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備更具優(yōu)勢。

▍結(jié)語與未來：

加州大學(xué)圣地亞哥分校開發(fā)的汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備集成了生物燃料電池、儲能電池、柔性電路板和電化學(xué)傳感器等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了自主能源管理和實時生物標志物監(jiān)測。該系統(tǒng)在個性化健康管理、運動科學(xué)和疾病監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

研究團隊表示，汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備后續(xù)的迭代版本將進一步優(yōu)化系統(tǒng)的能量收集效率和傳感靈敏度，并探索更多生物標志物的檢測方法。同時，通過結(jié)合人工智能算法和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以實現(xiàn)更加精準的健康評估和預(yù)測模型。未來借助材料科學(xué)與微納加工技術(shù)的不斷進步，汗液驅(qū)動的可穿戴設(shè)備的綜合性能將進一步得到提升。