王中林院士等ACS Nano：摩擦納米發電機集成軀體傳感網絡實現自驅動人體心率監測

【引言】

隨著人類生活、工作和人口老齡化節奏的加快，需要為不健康的生活方式預警和消除潛在的疾病，醫護監測受到越來越多的關注。心率是心血管系統對人體健康狀況的直接反映，是人類醫療監測和診斷應用最廣泛的感知信號。人們一直致力于開發人類心率監測技術，但是這種技術受到材料結構復雜性和對外部能源依賴性的限制。軀體網絡傳感技術可以實現個人健康監測、評估和疾病診斷，但是當前的軀體網絡傳感技術需要外部能源供能，如電池。將摩擦納米發電機和軀體網絡傳感技術集成實現自驅動人體心率監測，既解決了軀體網絡傳感技術的供能問題也避免了電池壽命限制和環境污染問題，為未來個人心率監測提供了最佳解決方案。

【成果簡介】

近日，重慶大學光電工程學院楊進教授和佐治亞理工學院材料科學與工程學院王中林院士（共同通訊作者）研究小組通過將“絨毛結構”的摩擦納米發電機、能源管理電路、心率傳感器、信號處理單元和無線數據傳輸的藍牙模塊集成實現了自供電無線軀體傳感網絡。其中摩擦納米發電機能夠將人體行走的慣性能量轉化為電能，在最低運動頻率下，發電機能產生高達2.28mW的功率，實現57.9%的總轉化效率，直接給軀體網絡傳感單元持續供能。同時，傳感器獲取的心率信號經過信號處理單元處理，再通過藍牙模塊實時反饋到智能手機上，人們可以實時監測到個人的心率狀況。該成果以“Triboelectric Nanogenerator Enabled Body Sensor Network for Self-Powered Human Heart-Rate Monitoring”為題發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖1.摩擦納米發電機的結構設計圖

（a）摩擦納米發電機的工藝流程示意圖；

（b）摩擦納米發電機的結構示意圖；

（c）PTFE聚合物納米線陣列電鏡圖；

（d）摩擦納米發電機的內部實體圖；

（e）摩擦納米發電機的整體實體圖。

圖2. 摩擦納米發電機的發電機理

（a）摩擦納米發電機工作機理的二維示意圖；

（b）摩擦納米發電機工作機理的有限元模擬圖。

圖3.摩擦納米發電機的電學性能表征

（a）摩擦納米發電機在持續10Hz頻率激發下的短路電流圖；

（b）摩擦納米發電機在持續10Hz頻率激發下的開路電壓圖；

（c）摩擦納米發電機在持續10Hz頻率激發下的轉移電荷量圖；

（d）摩擦納米發電機在持續10Hz頻率激發下的不同數量柵格的功率圖。

圖4.含4個柵格摩擦納米發電機的電學性能

（a）摩擦納米發電機在外部振動6-10Hz下的短路電流圖；

（b）摩擦納米發電機在外部振動6-10Hz下的開路電壓圖；

（c） 摩擦納米發電機在外部振動6-10Hz下的轉移電荷量；

（d）摩擦納米發電機在80MΩ負載電阻下的電流和功率圖；

（e）摩擦納米發電機的機電轉化效率圖；

（f）不同頻率下，摩擦納米發電機給10μF電容充電電壓圖。

圖5.集成供能系統給電子器件充電

（a）完整的供能系統圖；

（b）集成系統裝備在人體手臂上；

（c） 實時獲取的心率數據無線傳輸到手機上；

（d）實時心率信號在整個軟件界面上的放大圖；

（e）基于摩擦納米發電機的軀體傳感網絡系統圖；

（f）摩擦納米發電機集成無線軀體傳感網絡系統和手機獲取的實時心率信息圖；

（g）(Ⅰ) 基于摩擦納米發電機傳感器獲取的心率信號圖和（Ⅱ）商業傳感器獲取的心率信號圖。

【小結】

該團隊通過摩擦納米發電機驅動軀體傳感網絡系統，實現了人體心率實時無創傷監測。這種低成本方案滿足了心臟病患者對日常保健監控的需要。自驅動軀體傳感網絡系統獲取人體心率信號，將獲取的心率信號經過信號處理單元處理，再通過藍牙無線傳輸，反饋到個人手機，實現人體健康狀況的實時監測。這種利用自身能量供給自身健康指標監測設備的“自循環”模式，將提高人類的生活標準。

文獻鏈接：Lin Z, Chen J, Li X, et al. Triboelectric Nanogenerator Enabled Body Sensor Network for Self-Powered Human Heart-Rate Monitoring[J]. ACS nano, 2017.

本文由材料人編輯部高放編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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