[AM] Joseph Wang 自供电汗液基可穿戴系统

 

通讯作者：Joseph Wang, Ravinder Dahiya

通讯单位：加州大学纳米工程系；格拉斯哥大学工程学院

可穿戴电子设备的持续运行需要可靠的能源，目前可以通过锂离子电池和各种能量收集器来满足。尽管存在潜在的安全问题和不可持续的环境影响，但这些解决方案仍出于必要而被使用。安全和可持续的能源可以促进可穿戴系统在健康监测、假肢和运动等各种应用中的使用。基于汗液和汗液当量的研究通过展示产生能量的生物燃料电池引起了极大的关注。

基于此，加州大学纳米工程中心系Joseph Wang教授和格拉斯哥大学工程学院Ravinder Dahiya教授合作对基于能量自主汗液的可穿戴系统进行综述，全面回顾了自供电汗液检测系统的进展，解决了与完全能源自主的可穿戴设备相关的未来挑战和潜在解决方案，重点是基于汗液的能量存储和能量生成元件以及基于汗液的传感器作为应用。相关内容以“Energy Autonomous Sweat-Based Wearable Systems”为题发表在Advanced Materials上。

图1.（a）框图显示了实现用于汗液监测的能量自主/自供电可穿戴系统以及关键设备的两种途径；（b）汗液中存在的主要阴离子和阳离子；（c）基于汗液的健康监测系统的总体方案：显示了带有多个传感器的柔性贴片，用于分析汗液和基于汗液的能量产生（BFC）和存储（SC）设备中的各种分析物，带有电子数据的智能标签采集、电源管理、用于自动排汗的控制电路，最后是无线供电（通过NFC）和无线数据传输到便携式设备，如智能手机。

该论文主要从以下几个方面探究：

1. 讨论基于汗液的能量自主可穿戴设备的关键组件，介绍了可穿戴设备中系统级集成的重要性。讨论适用于其他能源自主系统，需要一种可持续的方式来产生和储存能量。

2. 简要介绍了汗液的各种成分、感知以及它们在基于汗液的能量系统中使用的适用性。讨论了生物燃料电池（BFC）的生化机制。

3. 基于汗液的能量存储元件，回顾了工作原理，包括SC和电池的工作原理。

4. 讨论了实现完全能量自主的基于汗液的系统的未来挑战以及潜在的解决方案。

5. 讨论了主要成果和未来前景，强调了系统电源管理的必要性。

6. 讨论了与能源自主可穿戴设备相关的挑战和潜在解决方案。

图2. 与完全基于汗液的能量自主系统开发相关的关键阶段：（a）关键汗液分析物；（b）用于监测各种分析物的传感器；（c）基于汗液的能量装置；（d）基于汗液的系统实施和实现能源自主的步骤；（e）实现完全基于汗液的能量自主系统的设计。

参考文献：

Libu Manjakkal, Lu Yin, Arokia Nathan, Joseph Wang, Ravinder Dahiya, Energy Autonomous Sweat-Based Wearable Systems, Adv. Mater. 2021,  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202100899.