王中林院士等ACS Nano：摩擦纳米发电机集成躯体传感网络实现自驱动人体心率监测

【引言】

随着人类生活、工作和人口老龄化节奏的加快，需要为不健康的生活方式预警和消除潜在的疾病，医护监测受到越来越多的关注。心率是心血管系统对人体健康状况的直接反映，是人类医疗监测和诊断应用最广泛的感知信号。人们一直致力于开发人类心率监测技术，但是这种技术受到材料结构复杂性和对外部能源依赖性的限制。躯体网络传感技术可以实现个人健康监测、评估和疾病诊断，但是当前的躯体网络传感技术需要外部能源供能，如电池。将摩擦纳米发电机和躯体网络传感技术集成实现自驱动人体心率监测，既解决了躯体网络传感技术的供能问题也避免了电池寿命限制和环境污染问题，为未来个人心率监测提供了最佳解决方案。

【成果简介】

近日，重庆大学光电工程学院杨进教授和佐治亚理工学院材料科学与工程学院王中林院士（共同通讯作者）研究小组通过将“绒毛结构”的摩擦纳米发电机、能源管理电路、心率传感器、信号处理单元和无线数据传输的蓝牙模块集成实现了自供电无线躯体传感网络。其中摩擦纳米发电机能够将人体行走的惯性能量转化为电能，在最低运动频率下，发电机能产生高达2.28mW的功率，实现57.9%的总转化效率，直接给躯体网络传感单元持续供能。同时，传感器获取的心率信号经过信号处理单元处理，再通过蓝牙模块实时反馈到智能手机上，人们可以实时监测到个人的心率状况。该成果以“Triboelectric Nanogenerator Enabled Body Sensor Network for Self-Powered Human Heart-Rate Monitoring”为题发表在ACS Nano上。

【图文导读】

图1.摩擦纳米发电机的结构设计图

（a）摩擦纳米发电机的工艺流程示意图；

（b）摩擦纳米发电机的结构示意图；

（c）PTFE聚合物纳米线阵列电镜图；

（d）摩擦纳米发电机的内部实体图；

（e）摩擦纳米发电机的整体实体图。

图2. 摩擦纳米发电机的发电机理

（a）摩擦纳米发电机工作机理的二维示意图；

（b）摩擦纳米发电机工作机理的有限元模拟图。

图3.摩擦纳米发电机的电学性能表征

（a）摩擦纳米发电机在持续10Hz频率激发下的短路电流图；

（b）摩擦纳米发电机在持续10Hz频率激发下的开路电压图；

（c）摩擦纳米发电机在持续10Hz频率激发下的转移电荷量图；

（d）摩擦纳米发电机在持续10Hz频率激发下的不同数量栅格的功率图。

图4.含4个栅格摩擦纳米发电机的电学性能

（a）摩擦纳米发电机在外部振动6-10Hz下的短路电流图；

（b）摩擦纳米发电机在外部振动6-10Hz下的开路电压图；

（c） 摩擦纳米发电机在外部振动6-10Hz下的转移电荷量；

（d）摩擦纳米发电机在80MΩ负载电阻下的电流和功率图；

（e）摩擦纳米发电机的机电转化效率图；

（f）不同频率下，摩擦纳米发电机给10μF电容充电电压图。

图5.集成供能系统给电子器件充电

（a）完整的供能系统图；

（b）集成系统装备在人体手臂上；

（c） 实时获取的心率数据无线传输到手机上；

（d）实时心率信号在整个软件界面上的放大图；

（e）基于摩擦纳米发电机的躯体传感网络系统图；

（f）摩擦纳米发电机集成无线躯体传感网络系统和手机获取的实时心率信息图；

（g）(Ⅰ) 基于摩擦纳米发电机传感器获取的心率信号图和（Ⅱ）商业传感器获取的心率信号图。

【小结】

该团队通过摩擦纳米发电机驱动躯体传感网络系统，实现了人体心率实时无创伤监测。这种低成本方案满足了心脏病患者对日常保健监控的需要。自驱动躯体传感网络系统获取人体心率信号，将获取的心率信号经过信号处理单元处理，再通过蓝牙无线传输，反馈到个人手机，实现人体健康状况的实时监测。这种利用自身能量供给自身健康指标监测设备的“自循环”模式，将提高人类的生活标准。

文献链接：Lin Z, Chen J, Li X, et al. Triboelectric Nanogenerator Enabled Body Sensor Network for Self-Powered Human Heart-Rate Monitoring[J]. ACS nano, 2017.

本文由材料人编辑部高放编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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