【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學電子信息與電氣工程學院感知科學與工程學院王侃副研究員團隊的綜述論文“Ambient energy harvesters in wearable electronics: fundamentals, methodologies, and applications”(可穿戴電子設備中的環(huán)境能量采集器：基礎、方法和應用)在納米生物技術(shù)領域知名期刊《Journal of Nanobiotechnology》上發(fā)表。該論文重點討論了目前主流的可穿戴式傳感器供電技術(shù)及其能量轉(zhuǎn)換機制、基本特性和在各個領域的典型應用案例等，以期為相關領域的研究人員帶去一些有價值的參考。
 

環(huán)境中的各種能量源以及可穿戴傳感器的供能技術(shù)
 

　　研究背景
 

　　可穿戴傳感器設備具有優(yōu)異的便攜性和持續(xù)實時監(jiān)測生理信號的能力，在疾病診斷和健康管理領域發(fā)揮著重要的作用。隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，可穿戴設備在追求功能多樣和性能優(yōu)越的同時，對舒適性和人性化設計的需求日益迫切，因此其電源模塊需要在功率密度和能量輸出等方面進行細致的設計和優(yōu)化，生物相容性、體積、重量等也是必須考慮的關鍵因素。同時，納米材料和相關技術(shù)在解決柔性可穿戴傳感器的供電問題上尤為重要：納米材料的特殊電學性質(zhì)有利于高性能的能量收集和存儲，高比表面積和電化學活性促進了材料界面的能量轉(zhuǎn)換，因此近年來在傳感系統(tǒng)的電源模塊中得到了廣泛的應用。
 

　　主要內(nèi)容
 

　　論文全面回顧了當前可穿戴傳感器的主流能源技術(shù)，包括鋰電池、超級電容器、太陽能技術(shù)、生物燃料電池、熱電發(fā)電機、射頻能量采集器、動能采集器(電磁感應、壓電、摩擦電)，以及集成多種能量轉(zhuǎn)換模式的混合動力系統(tǒng)。詳細介紹了這些供能方式的能量轉(zhuǎn)換機制、典型特征和在各個領域的最新應用進展。這些技術(shù)不僅推動了可穿戴設備向更輕、更薄、更持久的方向發(fā)展，還極大地拓寬了其在醫(yī)療診斷、運動健身、環(huán)境監(jiān)測等多領域的應用。同時，該論文特別關注到新型材料在可穿戴傳感器的供電系統(tǒng)中發(fā)揮的關鍵作用，如納米材料和納米加工技術(shù)在提升能量轉(zhuǎn)換效率、減小設備體積、增強設備柔韌性等方面具有突出的優(yōu)勢，為可穿戴傳感器能源技術(shù)的未來發(fā)展開辟了新路徑。
 

　　幾種動能采集器的工作機理：(a)電磁能量采集器(b)壓電納米發(fā)電機(c)摩擦電納米發(fā)電機
 

　　總結(jié)展望
 

　　論文結(jié)尾對各種供電技術(shù)的性能進行了對比，并總結(jié)了各自的典型特點和適用場景，例如：射頻能量采集器及近場通信技術(shù)不受溫度和光線等環(huán)境因素的影響，但傳輸距離和參數(shù)匹配是設計中需要考慮的重要因素；動能采集器擅長從人體運動中捕獲能量，使其在步態(tài)分析、手勢控制等運動監(jiān)測應用中具有獨特的優(yōu)勢。論文還指出了當前可穿戴傳感器的能源供應技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，如復雜的身體活動帶來的性能下降、納米材料的合成加工以及生產(chǎn)成本等問題。最后，分析了該領域的發(fā)展趨勢：在保證輸出性能的同時逐漸小型化、柔性化，還關注到安全無毒、環(huán)境友好和智能電源管理策略等方面。供電模塊是可穿戴傳感器設計中重要的一環(huán)，隨著系統(tǒng)設計的不斷突破和能源技術(shù)的日益成熟，可穿戴式傳感器將有更廣闊的發(fā)展前景，為人們的健康生活帶來更多便利。
 

各種供能方式的多維性能比較
 

　　論文信息
 

　　上海交通大學電子信息與電氣工程學院感知科學與工程學院碩士生俞若瑤和上海市第九人民醫(yī)院馮少清副主任醫(yī)師為論文的共同第一作者，王侃副研究員為通訊作者。該研究得到了國家重點研究發(fā)展計劃(2023YFF0724300)和國家自然科學基金(32171373)等項目資助。