【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院感知科學(xué)與工程學(xué)院王侃副研究員團(tuán)隊的綜述論文“Ambient energy harvesters in wearable electronics: fundamentals, methodologies, and applications”(可穿戴電子設(shè)備中的環(huán)境能量采集器：基礎(chǔ)、方法和應(yīng)用)在納米生物技術(shù)領(lǐng)域知名期刊《Journal of Nanobiotechnology》上發(fā)表。該論文重點(diǎn)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(jī)制、基本特性和在各個領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例等，以期為相關(guān)領(lǐng)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(shè)備具有優(yōu)異的便攜性和持續(xù)實(shí)時監(jiān)測生理信號的能力，在疾病診斷和健康管理領(lǐng)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(shè)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(shè)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(jìn)行細(xì)致的設(shè)計和優(yōu)化，生物相容性、體積、重量等也是必須考慮的關(guān)鍵因素。同時，納米材料和相關(guān)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(xué)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(xué)活性促進(jìn)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(yīng)用。
 

　　主要內(nèi)容
 

　　論文全面回顧了當(dāng)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(jī)、射頻能量采集器、動能采集器(電磁感應(yīng)、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(xì)介紹了這些供能方式的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、典型特征和在各個領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展。這些技術(shù)不僅推動了可穿戴設(shè)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(yùn)動健身、環(huán)境監(jiān)測等多領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，該論文特別關(guān)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(guān)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(shè)備體積、增強(qiáng)設(shè)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(jī)理：(a)電磁能量采集器(b)壓電納米發(fā)電機(jī)(c)摩擦電納米發(fā)電機(jī)
 

　　總結(jié)展望
 

　　論文結(jié)尾對各種供電技術(shù)的性能進(jìn)行了對比，并總結(jié)了各自的典型特點(diǎn)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(shè)計中需要考慮的重要因素；動能采集器擅長從人體運(yùn)動中捕獲能量，使其在步態(tài)分析、手勢控制等運(yùn)動監(jiān)測應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。論文還指出了當(dāng)前可穿戴傳感器的能源供應(yīng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，如復(fù)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(lǐng)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(guān)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(shè)計中重要的一環(huán)，隨著系統(tǒng)設(shè)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(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院感知科學(xué)與工程學(xué)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(diǎn)研究發(fā)展計劃(2023YFF0724300)和國家自然科學(xué)基金(32171373)等項目資助。