贴在皮肤上的心脏监测器 | Nature
2018/10/07
柔性的电子设备可直接贴附于人体皮肤,用于监测心跳、血压。但是在实际应用中,庞大的外部电池会因为体积过大、供电不足或者噪声干扰等因素会阻止设备的长期运行。近日,日本一研究团队成功地突破这一瓶颈,研发出一款超弹性的生物传感器,由超薄的太阳能电池供电。在动物试验中,这一创新设备可以应用于自供电的心脏监测器。


https://doi.org/10.1038/s41586-018-0536-x

9月26日,《Nature》期刊发表了这一篇题为“Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics”的文章,来自日本RIKEN研究所、东京大学的研究团队研发了一种超弹性的生物传感器,由超薄款的太阳能电池供电,从而精确、持续地监测心跳等生物信号。

Takao Someya教授带领团队将“电力装置”——有机光伏电池(OPV Cells)“传感装置”——有机电化学晶体管(OECTs)结合,并置于超薄的聚合物涂层上形成一个传感器平台。它有两个优势:

首先,有机光伏电池能够将10.5%的光能转化成电能——这是超弹性设备中所报告的能量转换效率最高的数值。为了克服效率低的问题,研究人员在OPV电池的光吸收器表面采用了纳米光栅(nano-grating)材质,从而实现了高效的光电转换效率(high photo-conversion efficiency,PCE)。

其次,柔性电池的能量转换效率不受光线照射角度的影响——纳米粒子可以减少入射光的反射,从而使其效率不受光照角度影响。这意味着,这一平台可以不受运动的影响,是可穿戴生物传感器的理想特性。


A self-powered ultraflexible biosensor(图片来源:Nature)

作为一种灵敏且灵活的生物传感器,纳米OPV电池驱动OECTs。当这一传感器贴附于手指上,并将凝胶电极连接到人的胸部时,每一次心跳都会在电极和传感器之间产生电压差,并由OECTs监测到。研究团队在小鼠身上进行了验证工作,证实这一平台可以清晰的记录心率信号,且灵敏度是传统传感器的3倍,因为不受外部电源信号波动的干扰。

支持这一装置良好运动的照明水平为10000勒克斯,相当于阳光灿烂的日子里一个人在树荫下接收到的光线。这一研究对于研发放置于人体组织上的自供电医疗监测设备有着很大的推进作用。下一步,研究团队将试图开发灵活的电力存储设备。

责编:悠然

参考资料:

A self-powered heart monitor taped to the skin

Flexible self-powered biosensors

Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics

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