TUhjnbcbe - 2023/11/30 0:31:00
不可否认，在过去的几十年里，电子设备的小型化已经取得了巨大的进步。如今，在巴掌大小的智能手机让老式台式电脑黯然失色、无线连接的选择也层出不穷之后，有一种特殊类型的设备一直在稳步发展：可穿戴式生物传感器。这种微型设备一般是要直接佩戴在皮肤上，以便测量特定的生物信号，并通过将测量结果无线发送至智能手机或电脑，从而掌握用户的健康状况。虽然材料学家已经为可穿戴设备开发了许多类型的柔性电路和电极，但为可穿戴生物传感器找到合适的电源一直是个挑战。传统的纽扣电池，比如手表和小型计算器中使用的电池，太厚太笨重，而更薄的电池会带来容量甚至安全问题。但如果我们自己就是可穿戴设备的电源呢？由日本东京理科大学IsaoShitanda副教授领导的一个研究团队正在研究将汗水作为可穿戴电子产品唯一电源的方法。他们提出了一种新颖的生物燃料电池阵列设计，利用汗液中的一种化学物质—乳酸，产生足够的电力，短时间内驱动生物传感器和无线通信设备。这项研究是与日本筑波大学的SeiyaTsujimura博士、理化学研究所的TsutomuMikawa博士和山形大学的HiroyukiMatsui博士合作进行的。他们的新型生物燃料电池阵列看起来像一个纸质绷带，可以戴在手臂等处。它本质上是由一个憎水的纸质基底组成，多个生物燃料电池串联或并联在上面；电池的数量取决于输出电压和所需功率。在每个电池中，乳酸和存在于电极中的酶之间的电化学反应产生电流，这些电流流向由导电碳浆制成的总电流收集器。这不是第一个基于乳酸盐的生物燃料电池，但一些关键的区别使这种新颖的设计从现有的基于乳酸盐的生物燃料电池中脱颖而出。其一是整个装置可以通过丝网印刷制造，这种技术一般适用于成本效益高的大规模生产。这是通过精心选择材料和巧妙的布局实现的。例如，以前的电池采用银线作为导电路径，而现在的生物燃料电池则采用多孔碳墨。另一个优点是向电池输送乳酸的方式。纸层用于收集汗液，并通过毛细管效应将汗液同时输送到所有电池。这些优势使得生物燃料电池阵列表现出前所未有的向电子电路输送电能的能力，正如Shitanda博士所说：在我们的实验中，我们的纸质生物燃料电池可以产生3.66V的电压和4.3mW的输出功率。据我们所知，这个功率明显高于之前报道的乳酸生物燃料电池。为了证明其在可穿戴生物传感器和一般电子设备上的适用性，该团队制造了一个自驱动的乳酸盐生物传感器，不仅可以利用乳酸盐为自己供电，测量汗液中的乳酸盐浓度，而且还可以通过低功耗蓝牙设备将测量值实时传达给智能手机。研究人员计划利用一滴汗液和他们的生物燃料电池驱动市售的activitymeter1.5小时，该方式应该还可以为各种设备供电，例如智能手表和其他常见的便携式小工具。研究成果发表在《JournalofPowerSources》，论文标题为《Paper-basedlactatebiofuelcellarraywithhighpoweroutput》。