鑽石舞台

1.研究背景

無線可穿戴汗液分析器件可以在分子水平上連續實時監測生物標誌物，對實現個性化醫療具有重要意義。汗液中含有許多與健康相關的生物標誌物，如代謝物、電解質、蛋白質、氨基酸、激素和藥物。這些生物標誌物的持續監測可以為疾病診斷、健康管理、藥物濫用檢測和運動性能優化提供強有力的數據支撐。為了提高了穿戴舒適性和便利性，汗液傳感器正朝着小型化、集成化和無線操作的方向不斷發展，同時也對供電技術提出了新的挑戰。考慮到人體出汗多發生於劇烈運動的場景，將人體運動的機械能轉化為電能，實現對汗液監測系統的驅動，是一種理想的能量解決方案。

2.文章概述

近日，北京納米能源與系統研究所李舟、羅聃團隊設計了一種完全自供電的無線可穿戴汗液分析系統(SWSAS)。該系統通過摩擦納米發電機(TENG)和電磁發電機(EMG)複合的發電模塊(HNGM)有效地將人體運動的機械能轉化為電能，從而驅動汗液分析系統。SWSAS中高度集成的低功耗電路板可高效地管理收集的能量，最大限度地減少信息處理和傳輸的功耗；此外，該系統還採用全激光雕刻的柔性汗液傳感器貼片，更緊密的貼合皮膚，並實現自動採集、分析汗液。SWSAS成功實現了對汗液生物標誌物的無線監測，記錄了志願者跑步時Na+和K+的濃度波動，在個性化健康無線監測和運動優化方面具有潛在的應用前景。這項工作是構建無電池、完全自驅動可穿戴健康監測設備的一次重要嘗試。

3.圖文導讀

SWSAS由獲取並轉化人體運動機械能的雙模式HNGM、一個用於能量管理、信號處理和傳輸的低功耗集成線路板、一個用於檢測生物標誌物的可更換柔性汗液傳感器貼片和一個3D打印外殼組成。其中，HNGM是由TENG和EMG複合而成；並通過彈簧-質量耦合的機械設計，有效地從人體運動所產生的低頻、低加速度振動中獲取能量。柔性汗液傳感器貼片的製備完全採用了激光雕刻工藝，從頂層到與表皮接觸的底層，汗液傳感器貼片共包含五層結構從上至下依次為：PI襯底層、激光誘導石墨烯電極層、隔離層、微流道層和粘貼層。柔性汗液傳感貼片可緊密貼附於皮膚表面進行原位汗液分析，可有效避免運動時汗液的蒸發和污染，保持汗液傳感環境的穩定。電路板上集成了電源管理模塊、穩壓器、儀器放大器和可編程低功耗藍牙模塊(BLE PSoC)；高度集成的低功耗電路板可以高效地管理收集的能量，最大限度地減少能量損耗。

圖1.用於無線分子監測的SWSAS原理圖。(a) SWSAS的應用場景圖，SWSAS可以有效地從人體運動中獲取能量，進行汗液生物傳感，並將數據無線傳輸到用戶移動界面，用於實時健康跟蹤。(b) SWSAS的結構圖。(c)HNGM的結構設計。(d) PTFE和(e) Nylon薄膜表面的SEM圖像。(f)汗液傳感器貼片結構圖。(g)集成可穿戴汗液傳感器貼片示意圖。(h)SWSAS的系統級框圖，顯示了能量收集、電源管理、信號轉導、處理和無線傳輸模塊。

HNGM將人體運動過程中產生的振動機械能轉化為電能，並以直流電的形式輸出。能量管理模塊將收集到的電儲存在兩個並聯的電容器中，並通過內置開關邏輯釋放：當存儲電容的電壓達到閾值時，釋放電流，為儀器放大器和BLE PSoC模塊供電，完成信號處理和傳輸。傳感器的響應電壓經儀器放大器放大處理後，由集成在BLE PSoC模塊上的模數轉換器(ADC)讀取和記錄，最終採集到的傳感數據通過BLE無線傳輸到用戶的移動界面進行健康跟蹤。存儲電容的充放電周期為33 ~ 60 s，這意味着平均每分鐘可獲得一次傳感數據，可以更準確的反應跑步過程中Na+和K+的濃度變化。

圖2.HNGM驅動的實時在體汗液傳感和數據傳輸。(a)HNGM在行走、跑步和跳躍時的輸出性能。(b)SWSAS的模塊圖。(c)SWSAS的運行流程圖。(d)志願者佩戴SWSAS的照片。(e) SWSAS器件的照片。(f)汗液傳感分析的手機界面。(g)HNGM為系統存儲電容充電的實時電壓。(h)跑步過程中，SWSAS實時檢測汗液中Na+和K+的濃度變化。

4.致謝

感謝國家自然科學基金、北京自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項的資助。