與非網訊? 近日，來自加州大學圣地亞哥分校（University of California，San Diego）的研究團隊設計了一種新型能量收集裝置。該設備只有幾厘米寬、形似創(chuàng)可貼，是一種基于觸摸的乳酸生物燃料電池，通過利用指尖的高被動排汗率進行生物能量收集，進而為穿戴設備持續(xù)提供能量。

研究者稱，這種設備是有史以來最有效的身體能量收集器之一，它甚至可以在佩戴者靜止的情況下依舊保持工作狀態(tài)，對未來可穿戴電子設備的高效實用能源研究具有重大意義。

7 月13日，上述相關研究以《被動排汗生物燃料電池：高能量投資回報》（A passive perspiration biofuel cell: High energy return on investment）為題發(fā)表在Joule期刊。

該論文第一作者為加州大學圣地亞哥分校納米工程系博士生陸寅（Lu Yin），由加州大學圣地亞哥分校納米工程教授、可穿戴傳感器中心主任約瑟夫?王（Joseph Wang）擔任論文通訊作者。

新型能量 “圣杯”——汗水收集器問世

“對于能源自主型的可穿戴系統來說，其實主要依靠實用且高效的能量收集器來持續(xù)提供電力?！?陸寅在論文中介紹道。

然而，當前大多數的生物能量收集器依賴的并不是陽光等不規(guī)則外部能源，而是基于人體自身的超負荷身體運動，比如超強度的跑步或騎自行車。

該方式對人的負荷很大，而且并不高效。研究數據顯示，只有1%不到的機械能量能夠得到有效收集。極低的利用效率顯然阻礙了其規(guī)?；a進程，因此，這種自主供能方式很少被采納且?guī)缀醯貌坏綄嶋H應用。

可穿戴電子設備用指尖汗液 “發(fā)電”

加州大學圣地亞哥分校的納米工程教授 Joseph Wang 說：“通過利用指尖上的汗水--無論你在哪里或在做什么，它都會自然流出--這項技術在用戶不付出任何努力的情況下提供了凈能量?！?/p>

由于這個設備不需要佩戴者的任何物理輸入就能工作，它“在使可穿戴設備對普通人來說更實用、更方便和更容易獲得方面邁出了一步”，研究報告的共同作者、加州大學圣地亞哥分校納米工程系博士生 Lu Yin 在一份聲明中說。加州大學圣地亞哥分校的研究人員以前曾研究過將汗水轉化為電能的臨時紋身。

研究人員說，該設備有可能為工作在毫瓦范圍內的低功率電子產品供電，如智能手表，但它還不適合持續(xù)為高性能電子產品供電，如智能手機。

Yin 說：“我們的目標是使這成為一個實用的設備。我們想表明，這不僅僅是另一個可以產生少量能量的很酷的東西，然后就這樣了。我們實際上可以利用這些能量來為有用的電子產品供電，如傳感器和顯示器?！?/p>

每個人的指尖都有一千多個汗腺，可以產生比身體其他大部分部位多 100 到 1000 倍的汗液。不過，你可能很難注意到它們有多汗，因為汗水通常一出來就從指尖蒸發(fā)掉了，這個新設備在蒸發(fā)之前就將其收集起來。

該設備是一種名為生物燃料電池的能量收集器，由乳酸（一種溶解在汗液中的化合物）提供動力。從外觀看，它是一條薄而柔軟的帶子，大小約為 1 平方厘米，可以像創(chuàng)可貼一樣纏繞在指尖上，可長時間舒適佩戴。設備的材質是由碳納米管材料制成的泡沫，同時還有一種有助于最大限度吸汗的水凝膠。

碳泡沫電極的襯墊緊貼手指，吸收汗水并將其轉化為電能。電極上裝有酶，可以觸發(fā)汗液中的乳酸和氧分子之間的化學反應來發(fā)電。在電極下面是一個由壓電材料制成的芯片，當受到擠壓時，它會產生額外的電能。

當佩戴者流汗或按壓手指時，電能被儲存在一個小電容器中，并在需要時釋放到其他設備。

一個受試者在指尖戴著該設備睡了 10 個小時，該設備收集了 400 毫焦耳的能量，這足以為一個電子手表（但不是智能手表）提供運行 24 小時的能量。研究人員指出，將設備捆綁在更多的指尖上會產生更多的能量。

此外，該設備還可讀取身體維生素 C 水平和鹽水溶液中的鈉離子水平。

可穿戴汗液傳感器 “大戰(zhàn)” 拉開帷幕，眾設備相繼涌現

事實上，由汗液驅動的電子設備并不是第一次出現。

早在2017年，該研究團隊便進行過類似的實驗活動，而且成功研制出可為收音機供電的皮膚貼片。

但當時這款設備還不完善，由于需要大量的液體來進行驅動，穿戴者不得不采取相對較為激烈的運動方式，以保證汗液的正常收集。

2016年，加州理工學院醫(yī)學工程系高偉團隊提出全集成可穿戴汗液傳感器平臺。同時，在經過一系列實驗后，該團隊開發(fā)出一種全集成電子皮膚，可利用收集到的汗液來進行驅動，從而為傳感器、信號處理和藍牙無線傳輸等提供能量。這項工作于2020年4月，以論文形式發(fā)表在Science Robotics雜志上。

此外，2019年，美國加州大學圣地亞哥分校和法國格勒諾布爾 - 阿爾卑斯大學（Université Grenoble Alpes，UGA）的聯合研究團隊也對此項目展開過合作，并成功開發(fā)出一種新型的可穿戴式器件，只要貼附于手臂，就會與酶發(fā)生氧化反應，從而持續(xù)提供電能。

而在中國，亦不乏相關的可穿戴汗液傳感器研究。不過由于暫無詳細的數據佐證，目前這些可穿戴電子器件的性能尚無法判斷優(yōu)劣。

不過，它們都有著一個很明顯的共同點，即汗液發(fā)電設備并不是最終目標，而僅僅只是系列研究中的重要一環(huán)，其它諸如健康營養(yǎng)追蹤、藥物劑量檢測等非侵入式人體治療以及環(huán)境監(jiān)測才是未來研究的主要方向。

未來，可穿戴汗液傳感器用于個性化精準醫(yī)療或許將成為趨勢。不過陸寅也表示，由于氧化汗液的酶一般會在兩周后失去功效，因此，還需要創(chuàng)造出一種可永久性使用的穩(wěn)定酶，這也是該團隊下一步的重要目標。