Nature Electronics | 指尖汗液“燃料”，可穿戴设备的新动力

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如今随着健康管理、疾病早期诊断及个性化医疗保健需求的不断增长，可穿戴健康监测技术备受关注，基于汗液的健康监测是其中之一。以往已有研究证明能够通过追踪汗液中的代谢物进行疾病诊断和健康监测。但是，无论一个健康监测系统大小如何、功能如何，必定精密、完整。大系统下必定有非常多的小系统彼此协调配合，使系统能够正常运行。

可穿戴设备更是如此，因其普遍需要在小尺寸上实现多/完整功能，因此需要有集成电子设备的先进传感模式。但是以往的可穿戴设备发展或多或少均在能源供应、传感能力、电路规模等方面面临着诸多限制。

9月3日，Nature Electronics发表研究文章A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring，报告了一种可以安装在手指上的集成系统，用于自供电和非侵入性汗液代谢物传感。

该系统安装在手指上，由一个可持续的无源能量收集器、一个自主储能单元和一个自供电的多路复用传感器阵列组成（图1）。通过将这些组件集成到微型设备中，研究人员展示了从手指汗液中收集能量和电池中的能量存储，然后将其用于为传感器供电，以连续检测代谢物。

图1 安装在指尖的集成可穿戴微电网系统，用于非侵入性和自供电汗液监测。a，指尖可穿戴微电网系统的示意图，其中包括 BFC、AgCl-Zn 电池、fPCB 和带有渗透排汗辅助纸张流体系统的可穿戴传感器。BFC 和 AgCl-Zn 电池的组合构成一个能量模块，它由两节 AgCl-Zn 电池的串联组成，每节电池由两节串联的 BFC 充电。插图（在红色圆圈中）放大了与指尖接口的组件，其中包括四个 BFC 和一个用于排汗的中心渗透泵系统：（i）主示意图，（ii）腹侧和（iii）背侧。b，用于能量收集、储能和电化学传感的指尖安装式能源微电网工作原理示意图，具有无线数据转换和智能手机显示屏。指尖汗液分别为被动能量收集和连续传感提供生物燃料和生物标志物。供电的 MCU 支持四个传感器，用于代谢监测、膳食补充剂和药物监测，这些传感器与各种生理和代谢条件相关。c，指尖可穿戴微电网的光学图像。（i）折叠前，（ii）折叠后将 BFC 电池连接到 fPCB，（iii）以及包含纸质流体通道和传感器后，扩展结构的外观。比例尺，1 厘米。

能量收集部分基于酶生物燃料电池，它可以从手指汗液中收集生物能，特别是通过使用汗液乳酸中的化学能。手指可以以每分钟在1平方厘米分泌 50-500 nl 汗液，即使佩戴者没有身体活动，这些分泌量也可以提供足够的生物燃料为系统提供动力。生物燃料电池可在 0.5 V 下提供 250 μW 的最大功率，并在 25 mM 的乳酸浓度下在 10 小时后收集 634 mJ 的总能量。同时，在 20% 的轴向拉伸 2,000 次循环后，系统表现出 2.5% 的最小电流衰减，表明该系统在可穿戴应用中具有很高的结构稳定性。

该团队将生物燃料电池与 AgCl – Zn 电池集成在一起以进行储能（图2）。基于两节串联的 AgCl – Zn 电池，并由生物燃料电池充满电，可以提供约 2 V 的开路电压来为低功耗微控制器供电。值得注意的是，AgCl – Zn 电池在 20% 的单轴拉伸、弯曲和扭曲 2,000 次循环下表现出可忽略不计的电压变化，而不会造成重大容量损失。电池模块连续充电 8 小时后，累积总容量 150 μAh，可放电 25 μA 连续 6 小时，为持续代谢监测提供可靠的能源供应。

图2 BFC及柔性AgCl – Zn电池特性。a，酶促 BFC 中各个层的分解图。LOx 和 BOD 的结构改编自 RCSB PDB 编号 2J6X 和 2XLL。b， BFC 在拉伸、弯曲和包裹下的图像。比例尺，5 mm。c，使用 LSV 表征后具有不同乳酸浓度（5 至 35 mM）的单个 BFC 的功率密度曲线。扫描速率，5 mV s−1.d，使用含 20 mM 乳酸的 LSV 表征单对 BFC 的功率输出。扫描速率，5 mV s−1.e，f，单个 BFC 在 0.50 V 下的电流密度（e）和 0.1 M PBS 中不同乳酸浓度（5 至 35 mM）的 BFC 的功率校准图。f，g， 0.5 V 下 25 mM 乳酸浓度下 10 h 的 BFC 对电流密度。h， 2,000 次循环重复 20% 单轴拉伸下 BFC 对的电流密度（CA 在 1 V 下，25 mM 乳酸）。i，详细介绍了 AgCl-Zn 柔性电池的各个层的爆炸图。j，AgCl-Zn 电池在 20% 拉伸、弯曲和扭曲下的图像。比例尺，5 mm。k，l，AgCl 阴极（比例尺，50 μm）（k）和 Zn 阳极（比例尺，150 μm）层（l）的 SEM 图像。m，电池在 0.4 C. n. 充放电倍率下的循环性能， AgCl-Zn 柔性电池在不同放电电流倍率（C-rate）下的电压-容量图。o，重复 20% 单轴拉伸 2,000 次循环下的电池电压。p，BFC 在 15 mM 乳酸酯燃料存在下对 AgCl-Zn 电池充电 8 小时，然后放电 25 μA 电流。E，电压;I，电流;j，电流密度;CE，库仑效率。

研究人员评估了该系统在不同个体和不同场景下的指尖收集和储存的生物能源能力（图3）。为了增强汗液收集和代谢物转移，使用多孔聚乙烯醇（PVA）水凝胶来促进汗液从皮肤持续流向燃料电池。细胞能够在 8 小时的办公桌工作中收集 500 mC 的电荷，在 8 小时的睡眠中收集 300 mJ 的能量；剧烈运动实际上往往会减少收集的能量，因为乳酸因出汗过多而更加稀释。该能源模块在白天和夜间 8 小时内可分别收集约 125 μAh 和 90 μAh 的电量，并且可以通过优化生物燃料电池/电池数量和连接电路，同时从不同的手指收集生物能源。

图3 体内能量收集和电池充电。a，用手指触摸 2 分钟后从 BFC 获得的功率趋势。b，从不同触摸时间的单个 BFC 收集的电荷的比较。c，d，来自不同参与者和场景的 1 小时白天会议期间的功率曲线（c）和充电图（d）。e，BFC 在白天（i） 4 h 和（ii） 8 h 从两个不同的参与者的指尖被动收集生物能。f，BFC 在夜间（睡眠 8 小时）被动地从两名参与者的指尖收集生物能量。g，BFC 在白天被动地从两个不同的参与者那里收集了（i） 4 h 和（ii） 8 h的生物能，然后对电池进行了 25 μA 放电。h，BFC 在夜间被动收集生物能源超过 8 小时，然后对电池进行 25 μA 放电。i，BFC 在白天（红色）和夜间（蓝色）充电 8 小时后充电的电池容量汇总。j，k，三个手指上的六个 BFC 的照片，用于为三个串联电池充电（比例尺，1 厘米）（j）并被动收集生物能源 8 小时，然后对电池放电 25 μA （k）。j、h 和 k 中的红色、蓝色和绿色背景分别表示白天、夜间和电池放电后的充电时间。

研究人员将能量模块与电化学传感器阵列和低功耗电子元件集成，以实现完整的可穿戴指尖微电网系统，能够实现非侵入性、无劳累和实时的汗液收集、分析和监测。

该系统可用于在日常活动中全天跟踪四种生物标志物谱（葡萄糖、乳酸、维生素 C 和左旋多巴），同时还可以从汗液中收集能量。校准后的生物标志物水平可以实时翻译并显示在定制设计的手机应用程序上。

图4 集成的指尖可穿戴微电网系统的运行。a，可穿戴电子系统框图。b， BLE 播报模式、配对开始和配对模式期间 MCU 的功耗。c，两个串联的 AgCl-Zn 电池的放电曲线实现了有和没有 BFC 充电的模拟放电曲线。d，1 小时和 24 小时培养期间细胞活力的定量分析。数据表示平均±标准偏差（n = 6）。e，参与者在白天进行桌面工作（使用计算机鼠标）和喝橙汁（i）以及夜间睡眠（ii）时佩戴指尖微网格的光学图像。（iii）收集的数据以无线方式传输到智能手机，并显示在定制设计的移动网络应用程序中。比例尺，2 cm. f，全天交叉活动能耗（i）和电压响应（ii）。g，在不同的日常活动下使用可穿戴指尖微电网进行全天生物标志物监测。S，开关。

综上，该研究提出的可穿戴指尖微电网系统为无创、自供电和连续代谢监测创造了新的机会，有望应用于个性化医疗保健监测和健康管理的一系列场景。

但是，该系统的应用问题需要给出更多答案，就像上海交通大学化学化工学院欧阳兆锋等人Nature Electronics 新闻与观点栏目给出的评价：“首先，电化学性能，包括能量模块的能量密度和倍率性能，需要进一步改进。具有出色可重复性的微型电池的高吞吐量生产也仍然是一项挑战，需要在电池材料、接口和生产技术方面进行创新。此外，可穿戴微电网系统在人体皮肤复杂动态微环境中的长期稳定性需要进一步评估和优化。最后，汗液感应微电网的生物相容性和耐磨性是决定该方法实用性的关键问题，包括设备寿命和用户舒适度。”

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Ding, S., Saha, T., Yin, L. et al. A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01236-7

*作者水平有限，中文报道文章仅供参考，一切以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们。

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编辑 | 罗虎

参考 | Nature Electronics

审核 | 医工学人理事会

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