閩江學院&賓州州立大學&中科院半導體所Applied Physics Reviews:柔性可穿戴在線、連續生理信號智能監測平臺

隨著平均壽命的增長，老齡化的問題都日趨嚴重，非傳染性慢病（如心腦血管疾病、糖尿病、帕金森病等）現已成為人類健康和生命的主要威脅，是當前社會面臨的全球性醫療危機。雖然伴隨著傳感器技術、信息采集和處理技術以及互聯網技術的迅速發展，但是傳統生理參數監護設備無法滿足便攜化、智能化、網絡化、精準化、模塊化以及柔性化的需求，極大的限制了生理參數監護設備的應用范圍。因而，構建可穿戴的在線、連續生理信號智能監測平臺具有十分重要的現實意義和應用價值。

有鑒于此，閩江學院海洋傳感功能材料福建省重點實驗室張誠博士、王軍教授課題組聯合美國賓州州立大學程寰宇教授課題組和中國科學院半導體研究所徐云研究員課題組等合作，報道了利用柔性可延展納米發電機、整流器以及平面微型超級電容器陣列實現將人體運動機械能轉化為穩定連續的電能，驅動柔性可穿戴傳感器(脈搏、應變、溫度、心電、血壓和血氧)以及藍牙無線傳輸設備，獲得了人體生理信號的在線、連續高靈敏采集，為遠程醫療提供了新的思路，具有廣闊的前景。文章發表于2022年1月4日的Applied Physics Reviews上。

圖1：利用柔性可延展納米發電機、整流器以及平面微型超級電容器陣列將機械能轉化為連續、穩定的電能，驅動柔性可穿戴傳感器在線、連續監測人體生理信號(脈搏、應變、溫度、心電、血壓和血氧)的示意圖。

圖2：基于光還原石墨烯(LIG)泡沫電極材料的生理信號傳感器輸出性能。

圖3：利用摩擦納米發電機、整流器以及平面微型超級電容器陣列將人體行走過程中的機械能轉化為電能，實現為可穿戴脈搏傳感器和藍牙傳輸電路的連續供能，獲得了人體脈搏信號的在線、連續監護。

【工作亮點】

要點1：利用激光還原技術，實現了三維多孔光還原石墨烯(LIG)泡沫材料的圖案化定制，得益于高比表面積(380 m²g^-1)和導電率(80 Ωcm^-2)，其作為納米發電機電極材料、平面微型超級電容器陣列電極材料及柔性可穿戴傳感器電極材料能夠分別實現將感應電荷的有效轉移、載流子的高效輸運與存儲以及識別且定量分析生理信號。此外，通過無機鹽修飾和激光二次還原，可以實現對LIG泡沫的功能化修飾，從而為進一步調控優化柔性可穿戴器件的性能提供可能性。

要點2：聯合納米發電機、整流器以及平面微型超級電容器實現了高效地收集人體機械能并將其轉化為連續、穩定的電能，利用平面微型超級電容器的串聯和/或并聯實現了自充電能源單元輸出電壓、電流及功率的調控，從而實現為各種可穿戴電子器件持續供電。

要點3：采用模塊化設計的柔性可穿戴生理信號傳感器具有輕薄柔軟、親膚靈活、便宜耐用、良好傳感性能、成本低廉、易于集成等特點，同時借助無線傳輸技術可以實現生理信號(如脈搏、應變、溫度、心電、血壓和血氧)的監測。

【總結展望】

綜上所述，這項工作基于激光還原技術，構建了基于納米發電機、整流器以及平面微型超級電容器陣列的柔性可延展綠色電源驅動的輕薄柔軟、良好傳感性能生理傳感器，建立了高性能、低成本、柔性可穿戴在線、連續生理信號智能監測平臺的新策略。此外，還可以根據需要，利用無機鹽修飾和激光二次還原技術在三維多孔的LIG支架上原位上“生長”納米材料實現其功能化改性，優化并拓寬可穿戴器件的功能。

這項工作得到了國家自然科學基金(52002162, 12174172)、福建省自然科學基金(2021J011040)、福州市科技計劃項目(2020-S-29)以及閩江學院青年人才優培計劃的支持。

參考文獻：Cheng Zhang*, Huamin Chen, Xiaohong Ding, Farnaz Lorestani, Chunlei Huang, Bingwen Zhang Biao Zheng, Jun Wang*, Huanyu Cheng*, and Yun Xu, Human motion-driven self-powered stretchable sensing platform based on laser-induced graphene foams, Appl. Phys. Rev., 9, 011413 (2022).

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0077667