Accounts of Materials Research: [综述]自供能可穿戴生物传感器

可穿戴生物传感在定制化健康监测以及远程医疗领域具有重大应用前景，先进传感机理、材料科学以及规模化加工的快速发展使得实时准确监测人体各种生理信号 (体温、心率、运动、分子生物标志物等) 成为可能。然而，可靠的能量供给方式限制了可穿戴生物传感的进一步发展。新兴的可穿戴能量采集器件能够将环境中的各种能量高效的转换为电能，一方面这种电信号输出可以直接作为生理信息的主动式传感，另一方面可以集成能量存储单元与能量管理模块得到全集成的可穿戴传感系统，无需外部供能进行健康信息的持续实时监测，在可穿戴电子与物联网领域展现了出色的优势与潜力。

近日，加州理工学院高伟 (Wei Gao) 教授研究团队与北京大学张海霞教授研究团队合作，在Accounts of Materials Research 期刊发表题为“Self-Powered Wearable Biosensors”的综述文章，并被选为ACS Editors’ Choice，宋宇博士为论文第一作者。文章详细介绍了自供能可穿戴生物传感器领域的最新进展。从基本的可穿戴生物传感器 (物理传感器、化学传感器) 与能量采集器件 (摩擦发电机、生物燃料电池、太阳能电池等) 入手，进一步介绍了以能量采集器件输出信号作为生理指标表征的主动式传感，包括应力、应变等物理信号识别与汗液中乳酸、葡萄糖等化学信号探测，同时可以将能量采集器件与能量管理电路集成得到自充电能量单元，实现高效能量采集与有效能量存储，进一步与能量管理电路相配合，实现全集成自供能传感系统的制备，并驱动可穿戴生物传感器进行实时健康监测。最后，文章对该领域的面临的挑战与下一步研究方向进行了总结与展望。

图1 自供能可穿戴生物传感器总览

图2 可穿戴生物物理传感器。(A)用于人体运动监测的多孔压阻式压力传感器；(B)用于手指姿势识别的应变传感器；(C)不受应变干扰的可拉伸温度传感器；(D)用于接触探测的湿度传感器；(E)用于心电信号记录的自愈合心电传感器；(F)用于心率与血压记录的表皮式光学传感器。

图3 可穿戴生物化学传感器。(A)用于代谢物与电解质持续分析的电化学传感器；(B)用于尿素探测的基于离子选择性电极的酶传感器；(C)用于尿酸与酪氨酸灵敏探测的伏安型传感器；(D)用于皮质醇监测的基于抗原抗体反应的生物亲和力传感器。

图4 可穿戴能量采集器。(A)将运动机械能转换为电能的自由式摩擦发电机；(B)将人体汗液中化学能转变为电能的柔性生物燃料电池；(C)织物兼容的可拉伸且防水的有机太阳能电池。

图5 复合式能量采集器。(A)同时采集太阳能与生物机械能的微型电缆结构的柔性织物；(B)集成生物燃料电池与摩擦发电机的可穿戴微电网织物系统。

图6 可穿戴能量采集器用于主动式传感。(A)高分辨率定位识别的逻辑式智能皮肤；(B)用于静态与动态力学传感的数字式应变传感器；(C)用于汗液实时分析的化学传感电子皮肤；(D)生物燃料电池电势输出用于汗液乳酸传感。

图7 可穿戴自充电能量单元。(A)高效机械能采集的摩擦发电机-超级电容器-摩擦发电机三明治结构能量单元；(B)可穿戴生物燃料电池-超级电容器自充电织物；(C)基于太阳能电池与可充电电池的能量织物用于驱动人体传感器网络；(D)具有不同工作模式的纤维状复合能量织物。

图8 全集成自供能可穿戴传感系统。(A)太阳能电池供能的汗液葡萄糖传感器；(B)去电池化的皮肤界面化学传感；(C-D)人体运动供能的无线可穿戴汗液传感系统用于动态汗液生物标志物分析；(E-F)生物燃料电池供能的柔性电子皮肤用于无线传感监测与人机交互。

高伟教授课题组网站：

http://www.gao.caltech.edu/

张海霞教授课题组网站：

http://scholar.pku.edu.cn/alice

文章信息

Y. Song, D. Mukasa, H Zhang, W. Gao, Self-Powered Wearable Biosensors. Accounts of Materials Research, 2021, DOI: 10.1021/accountsmr.1c00002.

文章链接: https://dx.doi.org/10.1021/accountsmr.1c00002