[Joule] Joseph Wang：“一石二鸟”—汗液“发电”并检测的可穿戴传感器
具有生物能源收集装置的自供电可穿戴系统通常被认为是为穿戴设备持续提供能量最有发展前途的研究方向。
近日，来自加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授团队设计了一种新型能量收集装置。该设备只有几厘米宽、形似创可贴，是一种基于触摸的乳酸生物燃料电池，通过利用指尖的高被动排汗率进行生物能量收集，进而为穿戴设备持续提供能量。这种依靠人体恒定输入的能量采集装置，既不依赖于不规则的外部环境，也不依赖于运动和锻炼，因此被认为是能量采集设备的“圣杯”。
该装置是一种基于触摸型的乳酸生物燃料电池（BFC），它利用指尖的高被动排汗率进行生物能量收集。研究人员主要使用柔性、多孔、吸水的3D碳纳米管（CNT）泡沫创建了BFC电极。CNT泡沫在阳极和阴极位点用LOx和纳米多孔Pt装饰，分别用于乳酸氧化和氧还原用于生物电催化发电。与身体其他部位不同，指尖的出汗率相当高。这种高效的指尖汗液生成对于为BFC提供动力非常有吸引力，无需进行排汗运动。进一步采用多孔聚乙烯醇（PVA）水凝胶来消除汗滴的拉普拉斯压力，以促进汗液从指尖持续转移到BFC电极，同时保持燃料持续收集。
图1. 基于触摸的 BFC 和生物能量收集系统的操作示意图：（A）BFC使用LOx阳极和Pt阴极从自然手指汗液中收集乳酸生物燃料的示意图和反应机制；（B）模板化多孔PVA水凝胶和CNT泡沫的光学和SEM图像；（C）BFC的三种操作条件的图示，从（Ci）被动连续接触、（Cii）主动按压和（Ciii）重复主动按压中获取能量；（D）集成BFC-PZT采集器的分解图，可通过手指按压采集化学和机械能；（E）（Ei）带有集成采集器、传感器和ECD的自供电传感系统的照片图像，以及（Eii）从自然手指汗液中检测汗液成分的装置的照片图像。
基于手指接触的BFC可以在没有任何机械输入的情况下，在10小时的睡眠中持续收集300 mJ/cm2的能量，或从仅消耗0.5 mJ机械能的单次手指按压中获得超过30 mJ的能量，从而产生6000%的高EROI；反复接触会导致加油和增强对流，并可以进一步提高动力，在更短的时间内收获更多能量。实现自供电电子系统的微电网设计理念，这种基于接触的BFC已与锆钛酸铅（PZT）压电发电机相结合，以进一步提高手指按压的收集效率，从而实现协同能量清除。
作为一种实际应用，这种高效的混合采集器被用于为包含维生素C或钠离子传感器的电子传感系统供电，该系统具有专用的低功率电致变色显示器（ECD），独立于外部设备运行。总的来说，所描述的基于触摸的BFC采集装置展示了所有生物能量采集器中最有利的能量EROI，并为可穿戴采集器的生物能量采集效率设定了更高的标准。建立了可靠和独立的下一代自我可持续电子系统提供了可能性。
图5. 自供电传感器显示系统的操作：（A）包括两对BFC-PZT采集器、2电极传感器、ECD面板以及相关MCU和电源管理电路的器件原理图分解图；（B）自供电系统的系统图；（C）低能量ECD（Ci）分解图示意图和（Cii）显示面板上的读数图解；（D）（Di）2电极离子选择性钠传感器图解，以及（Dii）校准和选择性；（E）自供电传感系统的照片，检测自来水和1:100稀释海水中的钠浓度；（F）（Fi）2-电极维生素C传感器的图示和（Fii）维生素C传感器的校准和选择性；（G）服用维生素丸后维生素C检测的时间尺度（上）和服用维生素丸后不同时间ECD读数的相应照片图像，使用自供电测试传感系统。
未来，可穿戴汗液传感器用于个性化精准医疗或许将成为趋势。不过陆寅也表示，由于氧化汗液的酶一般会在两周后失去功效，因此，还需要创造出一种可永久性使用的稳定酶，这也是该团队下一步的重要目标。
参考文献：
Lu Yin, Jong-Min Moon, Juliane R. Sempionatto, Muyang Lin, Mengzhu Cao, Alexander Trifonov, Fangyu Zhang, Zhiyuan Lou, Jae-Min Jeong, Sang-Jin Lee, Sheng Xu, Joseph Wang, A passive perspirationbiofuel cell: High energy return on investment, Joule, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435121002920.