人体关节驱动的柔性自维持汗液传感器

人体在运动过程中会产生大量的汗液，其中含有各种各样的分泌物，包括激素、代谢物、氨基酸和电解质（如Na⁺、K⁺、H⁺）等，这些物质可在一定程度上指示人体健康状况，为医学诊断(如囊性纤维化、皮肤病、糖尿病)提供有价值的参考。柔软可穿戴技术的出现，使汗液多参数生化标志物的监测更加方便舒适。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京航空航天大学常凌乾、香港城市大学于欣格、中科院纳米能源所李舟等人在《Nano Energy》（IF: 17.88）上发表了题为“Human Joint Enabled Flexible Self-Sustainable Sweat Sensors”的研究文章。该工作利用压电效应将人体运动过程中关节的机械能转化为电能驱动柔性电路及汗液传感器贴片，无需外界电池供电，即可对汗液中的Na⁺、K⁺及pH进行监测，同时实现了数据的无线传输及处理。提供机械能的人体关节可以为手指、胳膊肘以及膝关节。

图1 人体关节驱动的柔性自维持汗液传感器系统结构及工作原理图

将柔性压电薄膜贴附在手指的近端指间关节，当手指展开时，压电薄膜中的电偶极子垂直排列于正负电极之间；当手指弯曲，压电薄膜内部正负电荷中心发生偏移，进而产生极化电荷和电场，驱使电子在外部电路中流动，从而将机械能转化为电能。将电能储存于电容器中驱动柔性电路对汗液检测信息进行处理并无线传输给手机。柔性汗液传感器贴片通过微流道毛细作用力收集皮肤表面的汗液，并通过离子选择性电极将电压与汗液中Na⁺、K⁺、H⁺浓度对数进行关联，进而实现对汗液离子及pH的监测。

图2 实验开发的FWS⁴P在人体不用运动场景中的汗液监测，包括手部力量及胳膊力量训练以及骑车减脂

实际应用中将柔性压电薄膜分别固定在手指、胳膊肘窝及腿部腘窝部位，运动过程中可分别产生45.6μA、45μA及41.3μA的电流。当实验者运动一段时间出汗后，运动产生的电能可开启电路对汗液中的离子及pH进行监测，并将结果传输给手机界面，结果显示Na⁺浓度为52.36mM，K⁺浓度为8.55mM，pH为6.13，均在人体正常生理范围。

该研究第一作者是香港城市大学博士后李虎、北航研究生常天睿、纳米能源所博士生盖延松以及京东方工程师梁魁。常凌乾教授、于欣格教授、李舟研究员，京东方北航研究院黄东升院长为共同通讯作者；第一单位为北京市生物医学工程高精尖创新中心和北航生物与医学工程学院。

文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106786

Reference: Hu Li, Tianrui Chang, Yansong Gai, Kui Liang, Yanli Jiao, Dengfeng Li, Xinran Jiang, Yang Wang, Xingcan Huang, Han Wu, Yiming Liu, Jian Li, Yiming Bai, Kai Geng, Nianrong Zhang, Hua Meng, Dongsheng Huang, Zhou Li, Xinge Yu, and Lingqian Chang. Human Joint Enabled Flexible Self-Sustainable Sweat Sensors. Nano Energy, 2022, 92, 106786.

文章来源：麦姆斯咨询（“微流控”公众号）