Nature Electronics期刊发表 加州大学圣地亚哥分校开发汗液驱动的可穿戴设备

近年来可穿戴健康监测设备逐渐成为科研领域的关注重点，尤其是在医学健康检测领域，轻量化、智能化可穿戴设备发挥着不可替代的作用。然而，传统可穿戴设备在续航时间、传感性能、尺寸等方面依然有很大提升空间，针对这一现象，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究团队在《Nature Electronics》期刊上发布了一项重大创新成果，他们开发出了一款集自主能源管理与高效代谢监测于一体的指尖可穿戴微电网系统。

该装置紧紧缠绕在手指上，从一个意想不到的来源——指尖的汗液中获取能量。尽管指尖很小，但却是人体最活跃的汗腺之一，每个指尖都布满了一千多个汗腺。即使在休息时，这些汗腺也能产生比身体其他部位多100到1000倍的汗液。这种持续不断的自然排汗（无需任何刺激或体力活动）提供了可靠的能量来源，即使在不活动或睡眠期间也能为设备提供能量。

▍汗液驱动的可穿戴设备的设计思路

现有的可穿戴健康监测设备多依赖于外部电源或大型电池，这限制了用户的活动范围和设备的便携性。此外，传统能量收集方式如光照、温度或运动产生的能量存在不稳定性和间歇性问题，难以满足持续监测的需求。因此，研究人员致力于开发一种能够高效收集并利用人体自身能量，实现自主供电的可穿戴系统。

集成指尖可穿戴微电网的原理与设计

加州大学圣地亚哥分校研发的汗液驱动的可穿戴设备，由五个关键部分组成。生物燃料电池（BFCs）采用基于酶的生物燃料电池作为能源采集模块。这些BFCs利用指尖汗液中的乳酸作为燃料，通过酶促反应产生电能。乳酸是汗液中的一种常见代谢产物，特别是在轻度体力活动后，乳酸浓度会显著增加，从而为BFCs提供了稳定的能源来源。每个BFC单元通过特定的酶和电极设计，能够高效地将乳酸的化学能转化为电能，不仅实现了能源的自给自足，还避免了传统电池所需的频繁更换和充电问题。

为了进一步提升能源存储能力，研究团队集成了可伸缩的AgCl-Zn电池模块。这些电池与BFCs紧密配合，通过BFCs产生的电能进行充电，并在需要时为系统提供稳定的电力输出。AgCl-Zn电池的优势在于其匹配的工作电压、良好的电化学稳定性和安全性，同时采用了水性的中性电解质，避免了腐蚀性物质对皮肤的潜在伤害。此外，该电池采用了可伸缩设计，能够适应手指的日常活动，确保长时间佩戴的舒适性和稳定性。

系统的核心在于低功耗的微控制器单元（MCU），它负责整个系统的信号采集、数据处理和无线数据传输。该MCU采用了超低功耗设计，能够在保证系统正常运行的同时，最大限度地延长电池寿命。通过集成蓝牙低功耗（BLE）技术，MCU能够将实时采集的生物标志物数据无线传输至智能手机或笔记本电脑，用户可以随时查看个人健康状况，实现远程健康监测。

为了实现对多种生物标志物的连续监测，系统集成了多路复用电化学传感器阵列。这些传感器能够精准检测汗液中的葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴（levodopa）等关键代谢产物和药物成分。传感器阵列的设计充分考虑了穿戴舒适性和检测精度，通过优化电极材料和电解质配置，实现了对目标分析物的高灵敏度检测。同时，传感器通过微流控纸通道与皮肤紧密接触，利用渗透作用自然提取汗液，无需外部电源或刺激，进一步提升了系统的自主性和用户友好性。

整个系统被巧妙地集成在一个灵活可伸缩的电路板上，该电路板采用了高分子弹性材料作为基底，确保了与手指形状的完美贴合和长期佩戴的舒适性。通过先进的制造工艺和精密的电路设计，系统能够在极小的体积内集成所有必要的电子元件和传感器，同时保持良好的电气性能和机械稳定性。此外，系统还采用了溶剂焊接等先进封装技术，进一步提高了系统的可靠性和耐用性。

▍系统工作原理与应用场景概述

汗液驱动的可穿戴设备微电网系统的工作原理基于高效的能源采集、存储与智能化管理。首先，指尖的汗液作为天然的生化燃料，通过渗透作用被微流控纸通道收集并引导至生物燃料电池（BFCs）中。在BFCs内，汗液中的乳酸等代谢产物在酶的作用下发生氧化还原反应，从而产生电能。这些电能随后被用于充电至可伸缩的AgCl-Zn电池中，为整个系统提供稳定的能源支持。

BFC和柔性AgCl-Zn电池的表征

低功耗微控制器单元（MCU）作为系统的“大脑”，负责协调各个模块的工作。它接收来自电化学传感器阵列的原始信号，经过模数转换（ADC）处理后，通过蓝牙低功耗（BLE）技术将这些数据无线传输至用户的智能设备。用户可以在智能手机或笔记本电脑上实时查看自己的健康数据，包括葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴等生物标志物的浓度变化。

汗液驱动的可穿戴设备运行原理

研究人员表示，该团队研发的汗液驱动的可穿戴设备微电网系统在多个领域具有很高的商业潜力，如个性化健康管理方面，该系统能够为个人用户提供全天候、无间断的健康监测服务。通过连续监测生物标志物水平，用户可以及时了解自己的身体状况，调整生活方式和饮食习惯，预防疾病的发生。

此外，在远程医疗监护领域，该系统可作为医生监测患者健康状况的重要工具。医生可以远程获取患者的健康数据，及时发现异常情况并采取相应的干预措施，从而有效降低患者的就医成本和医疗风险。同时该系统也能够对运动健身、职业病预防等场景进行健康检测。

▍实验验证与性能评估

研究团队在9名健康受试者中进行了系统的性能测试。受试者在日常活动（如办公、步行、饮食和睡眠）中佩戴该系统，同时监测其指尖汗液中的生物标志物变化。实验结果显示，该系统能够在长时间内稳定工作，准确监测多种生物标志物水平。

体内能量收集和充电电池

在日间活动中，单个BFC在8小时内可收集约500 mJ的电能，在夜间睡眠期间，可收集约300 mJ的电能。这些电能足以支持系统连续工作超过16小时，并在必要时为AgCl-Zn电池充电。

传感器在吸收渗透性汗液的情况下运行

研究人员表示，电化学传感器能够准确检测指尖汗液中的葡萄糖、维生素C、乳酸和左旋多巴水平。在不同生理状态下（如进食、运动后和睡眠中），传感器能够迅速响应生物标志物的浓度变化，并实时反馈至用户端，相比传统可穿戴设备更具优势。

▍结语与未来：

加州大学圣地亚哥分校开发的汗液驱动的可穿戴设备集成了生物燃料电池、储能电池、柔性电路板和电化学传感器等关键技术，实现了自主能源管理和实时生物标志物监测。该系统在个性化健康管理、运动科学和疾病监测等领域具有广泛的应用潜力。

研究团队表示，汗液驱动的可穿戴设备后续的迭代版本将进一步优化系统的能量收集效率和传感灵敏度，并探索更多生物标志物的检测方法。同时，通过结合人工智能算法和大数据分析技术，可以实现更加精准的健康评估和预测模型。未来借助材料科学与微纳加工技术的不断进步，汗液驱动的可穿戴设备的综合性能将进一步得到提升。