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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 |
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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
微信链接：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzU5MDkwMg==&mid=2247488085&idx=1&sn=
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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，来自中国科学院的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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