自供电无线智能贴片

用于健康监测的自供电无线智能贴片

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1. 引言

可穿戴电子设备正在迈向一个新时代。通过可穿戴材料和结构的加工，越来越多的功能被集成到人们可以随身携带的器件中[1–16]。在所有功能中，医疗保健监测尤其具有前景，因为它能够帮助人们，特别是老年人，监测生理状态，例如汗液代谢物和皮肤温度[1,2],运动障碍[3],压力和应变[2,4–6],心电图[7]以及人体中的重金属fluids [8]。

然而，目前可穿戴电子设备面临若干弱点，阻碍了其向灵活与便捷范式的演进。由于健康监测系统中刚性电池的必要性，用户不得不频繁充电且携带不便；同时，传感器与分析计算机之间的导线也妨碍了整个系统与日常使用的电子设备（例如智能手机）的集成。自供电系统的改进，结合增强型能量收集器[17–42]和无线传输技术[43–45],为可穿戴智能电子器件摆脱笨重电池的束缚以及繁琐导线的限制提供了潜在解决方案。具体而言，摩擦电发电机能够驱动自供电系统，具有高度连续性和低成本能源；无线传输技术有助于突破充电线缆的限制。

在建立自供电无线传输系统的所有努力中，通常使用整流电路和电容器将摩擦纳米发电机（TENGs）输出的、通常表现为变频短脉冲形式的电流转换为直流电，并进行储存，然后才能用于驱动传统电子器件。此外，大多数情况下需要射频发射器将信号和电力传输到接收器。由于这些附加电路结构复杂，导致转换和传输效率较低且成本较高，因此这些方法的效率相对较低。此外，它们作为可穿戴设备携带也不方便。在此，通过静电感应效应，我们展示了无需其他器件和电路即可从摩擦纳米发电机无线接收电力和信号，旨在使其适用于无线传输和可穿戴应用。

本文提出了一种用于监测生理状态（包括温度和运动状态）的自供电无线智能贴片。我们的系统基于摩擦电效应和静电感应，实现自供电无线传输，利用自发摩擦电荷建立的电场作为电力和信号的传播介质，如效应及场所示。该电场作为电力和信号的传播介质，如图1a所示。多壁碳纳米管（多壁碳纳米管）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）与商用针织棉布复合，制备出具有高稳定性的可穿戴拉伸电极。（图1b）此外，通过银纳米线（Ag NWs）和PDMS制备了透明且可拉伸的三明治结构薄膜接收器。它仅依靠范德华相互作用即可贴附于多种表面，以接收摩擦电发电机无线传输的电力和信号（图1c和d）。

2. 材料与方法

2.1. 基于碳纳米管的导电棉布加工

在处理过程中，通过浸渍和干燥工艺将商用针织织物涂覆 MWCNTs。为了增强稳定性，随后用聚二甲基硅氧烷对导电织物进行涂层。首先，将1 mg/ml的商用碳纳米管粉末溶解于去离子水中，然后加入10 mg/ml的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）。之后，将该溶液放入超声处理设备中处理1小时。在制备好MWCNT溶液后，将一块针织棉布浸入碳纳米管溶液中，并在超声环境中处理5分钟，如图S1a所示。然后将布料从溶液中取出并放置在加热板上15分钟。上述两个步骤重复进行10次。在最后一个循环中，应加热布料直至其完全干燥。

弹性体和交联剂（Sylgard 184，道康宁公司）按10:1（w/w）的比例配制。然后将棉织物浸入液态PDMS中。几秒钟后，将织物从液态 PDMS中取出并放置在加热板上以固化PDMS层。随后，导电织物即已准备就绪。

2.2. 基于碳纳米管的导电棉布表征

图S1b–d展示了涂覆PDMS的导电织物的扫描电子显微镜图像。如图S1b所示的顶视图中，PDMS涂层纤维表面形成了高粗糙度的结构。此外，图S1c 和 d 显示PDMS已填充到纤维框架的间隙中。PDMS涂层具有两个主要优点：第一个优点是保护棉纤维表面的多壁碳纳米管网络 [11]。PDMS涂层的另一个优点是PDMS能高效地从普通服装材料中捕获电子，从而可提高发电机的效率。由于PDMS具有拉伸性，因此织物在涂层后仍保持可拉伸性。

2.3. PDMS覆盖银纳米线电极的制备

将弹性体和交联剂（Sylgard 184，道康宁公司）按10:1（w/w）的比例混合。首先，将液态PDMS滴加到玻璃基板上，并在500 rpm条件下旋涂60秒。然后将样品置于加热板上，在100 °C下加热20分钟，直至 PDMS固化。随后，将PDMS层从玻璃基板上剥离并进行预拉伸。接着用氧气等离子体处理以形成亲水表面。将2 mg/ml的银纳米线溶液滴加到预拉伸的PDMS薄膜上，并在1000 rpm条件下旋涂30秒。此步骤重复10次。之后释放PDMS薄膜中的应变。将样品置于加热板上，在100 °C下加热30分钟进行退火。最后，将液态PDMS滴加到AgNW层上，并在400 rpm条件下旋涂30秒。样品再经加热板100 °C加热20分钟使其固化后，即制得PDMS包覆的银纳米线电极。

2.4. PDMS包覆的银纳米线电极的表征

制备了透明可拉伸银纳米线基接收器，可适应智能手机、笔记本电脑和智能手环等多种物体表面，具有高均匀性和导电性（~100Ω/sq）。透射率已在图S3中展示。该PDMS/Ag NW/PDMS三明治结构接收器的厚度为总共200微米。 图S2b 更详细地显示了普通褶皱PDMS基底表面的银纳米线。褶皱PDMS基底是通过图S2a所示工艺制备的，包括预拉伸和O₂等离子体处理，以增强其拉伸性和亲水性。为了保护导电银纳米线层，另一层PDMS覆盖在银纳米线层上，形成PDMS/银纳米线/PDMS三明治结构，如图S2c 和 d 所示。由于PDMS的保护作用与裸露银纳米线层的电极相比，这种在银纳米线层上具有涂层的电极表现出更好的稳定性。

3. 结果与讨论

该自供电无线智能贴片的工作原理如图2所示。工作模式始于摩擦层（黄色）与导电织物（深灰色）之间的接触（图2a）。两层表面分别产生相反电荷。当摩擦层离开导电织物时，两层之间的电场减弱，导电织物表面的负电荷将通过静电感应使接收器上感应出相反电荷。如图2b所示，当电子从接收器被排斥到地时，外电路中产生电流。当摩擦层到达最远距离时，接收器上的电荷密度达到最大值（图2c）。当摩擦层再次接近导电织物时，电子流回接收器，外电路中产生反向电流（图2d）。上述过程中存在一些影响传输特性的参数，包括层尺寸（L）、摩擦层的最大高度（h）、接收器与导电织物之间的距离（d）以及层上的电荷密度（σ, σr）（图2e）。

等效电路如图2f所示。等效电路模型表示导电织物与接收器之间的关系可由一个电容器Cd来替代，该电容器受织物与接收器之间间隙的影响。C0和R0分别表示摩擦层与地之间的等效电容和电阻。通过基尔霍夫定律和相量法，推导出公式(1)如下：

$$ \dot{U_s} = \dot{U_{C0}} + \dot{U_{R0}} + \dot{U_{Cd}} + \dot{U_{Rl}} $$

可以按如下方式解决，

$$ \dot{U_{Rl}} = \frac{\dot{U_s}}{1 + \frac{R_l}{R_0} + j\omega C_d R_l + \frac{j\omega C_0 R_l}{1 + j\omega C_0 R_0}} $$

因为在通常情况下，R0远小于Rl，同时C0远大于Cd，因此该方程可简化为

$$ \dot{U_{Rl}} \approx \frac{\dot{U_s}}{1 + j\omega C_d R_l} $$

无线传输效率是

$$ \eta = \left| \frac{\dot{U_{Rl}}}{\dot{U_s}} \right| \approx \frac{1}{\sqrt{1 + (\omega C_d R_l)^2}} $$

这里，URl和Us分别是UR l和Us的相量形式，而j是虚数单位。从公式(4)可以看出，效率取决于Cd 、负载电阻(Rl) 和频率 ω的乘积。利用该等效电路和集成电路仿真程序(SPICE)，得到的时域SPICE仿真结果如图2g所示。黑色线条模拟了摩擦层的运动。当摩擦层的电势发生变化时，接收器会产生周期性输出。图2h显示了频域计算结果，表明了频率和C d 的影响。如图2h所示，随着频率和C d 的增加，效率上升。这意味着如果发电机部分以更高的频率振动，或接收器尺寸更大，或接收器与发电机之间的距离更小，则传输效率将提高。这指出了提升智能贴片无线传输效率的潜在途径。通过有限元仿真计算了不同距离下的电压分布。直观来看，分布情况表明距离对接收器显著影响输出电压。

发电机部分（摩擦层和导电织物层）的性能在图3中展示。测试使用包含信号发生器、功率放大器和振动器的振动系统进行。各层边长为 4 cm。首先，在不同负载电阻下测试了电压输出和电流输出。图3a显示，随着负载电阻增加，电压输出上升，而电流输出下降。在最佳匹配负载电阻700 MΩ时，功率输出达到~60 μW，且电流输出呈现出宽而高的峰值，表明具有高能量密度（图3b和c）。由于在导电织物上涂覆了聚二甲基硅氧烷，不仅提高了导电织物的摩擦电性能，也增强了其稳定性。我们对发电机部分进行了超过17万次的测试，输出电压保持稳定。测试环境如图S4所示。

图4展示了智能贴片的无线传输特性。如图4a所示，在发电信号为 49.0伏特时，接收器的输出功率如图4b所示，负载电阻为100 MΩ。导电织物与接收器之间的距离显著影响了无线传输效率。如图4c所示，接收器的电压与距离d成反比。当距离从1厘米增加到7厘米时，电压从 13.0伏特下降至1.7伏特。同时，无线传输效率也随接收到的电压遵循相同的规律变化。当d为1厘米时，效率达到26.6%；当d增大时，效率随之降低。为了展示驱动负载的能力，图4d显示了在不同负载和距离条件下的电流输出。在相同距离下，尽管负载电阻发生变化，电流输出保持不变，表现出类似电流源的特性。具体而言，该设备的电流输出在负载电阻从 1Ω到1 MΩ的宽范围内保持恒定。其工作原理类似于具有极大内阻的电流源，因此负载电阻无法显著影响电流输出，使得在不同负载电阻下电流保持不变。此外，如前所述，距离对电流输出有显著影响。进一步地，还测试了频率的影响。在实验中，当d为2厘米时，无线传输效率保持在10%至15%之间。我们发现，当频率在3赫兹至20赫兹范围内变化时，对传输效率没有显著影响（图4e）。水平相对位置也会影响传输效率（图4f）。随着重叠面积的减小，效率从~14%下降到~6%。

该传输系统能够同时传输电力和信号。首先，我们应用智能贴片来驱动一个能量存储和温度传感系统（图5a），以展示其收集和传输电力的能力。如图5b所示，当开关1（S 1）闭合时，在距离d为2厘米、振动频率为8赫兹的情况下，一个 1 μF的电容器在30分钟内充电至6.4伏特。随后，电容器中的电能被用来驱动热敏电阻，以监测参与者的温度。我们开发了一种利用RC电路的放电曲线来检测热敏电阻电阻的方法。如果放电速率较慢，则时间常数（τ）较大，电阻也较高。利用商用小型热敏电阻及其电阻‐温度曲线，可将其转换为温度‐时间常数曲线 （τ为电路中电阻与电容的乘积），从而计算出温度。在我们的测试中，当S 1 关闭 且S 2 开启时，测量并展示了室温、颈部和腋下的温度，如图5c–e所示。首先，测量放电曲线以确定时间常数。在测得三个不同位置的时间常数后，使用温度‐时间常数曲线来计算温度，如图5e所示。显示出高准确度方面，我们检测到室温、颈部、腋下温度分别为25.2°C、35°C、 36.3°C。此外，我们将自供电无线智能贴片应用于检测人体的运动状态。由于智能贴片的发电机部分的性能和信号基本受到用户运动状态的影响，接收到的信号中包含了运动状态的信息。因此有机会从中提取信息，并且该智能贴片可直接作为运动状态监测器使用，无需其他传感器。

如图6a所示，导电织物固定在受试者外套的内表面，银纳米线接收器粘贴在放置于外套口袋中的手机上。受试者在外套内穿着一件T恤，如图1a所示。导电织物与接收器之间无额外连线。图6b显示了当受试者处于不同运动状态（包括行走、慢跑、坐下和站起）时接收器的信号。图6b中的曲线是在人体接地以屏蔽人体其他部分电荷影响的条件下采集的。从图中可以看出，不同运动状态下的信号存在显著差异，尤其是运动频率。更详细的信息如图6c所示。我们对跑步和行走状态下持续10秒的信号进行了分析。在行走和慢跑状态下，峰值电压和半高全宽（FWHM）较为相似，这可能是由于外套与T恤之间的相对运动具有相似的特性，例如运动幅度。然而，频率表现出明显差异，因为跑步状态下的运动周期比行走状态更短。这种频率上的显著差异可用于区分不同的运动状态，后文将对此进行演示。为了说明人体其他部位电荷的影响，图6d展示了未接地条件下的曲线，而图6e则对比了两种条件下的情况。与接地曲线相比，由于人体其他部位电荷的贡献，未接地条件下的各状态信号峰值电压更高。值得注意的是，尽管电压更大，但波形形状与接地条件下的波形相似。这意味着全身运动与智能贴片周围局部运动具有相似的特性，因此无需将人体接地即可用于监测运动状态。因此，该智能贴片可在人体不接地的情况下使用，且如前所述，未接地信号比接地信号更显著。此外，如图6f所示，我们的智能贴片被用于检测受试者的缓慢跌倒，这对于老年人的医疗保健尤为重要。由于运动位移较大，所产生的信号清晰且显著。

开发了实时监测程序，通过计算从接收器获取的高信噪比实时波形中的一些重要参数来识别运动状态。通过测量平均峰值电压、平均半高全宽和频率，特别是频率，并将其与经验阈值进行比较，可以区分行走、跑步、坐下、站起和跌倒等基本运动状态。图6展示了使用程序进行实时运动监测的演示。测试环境如图S5所示。波形的平均采集时间为1秒。参数被立即计算并确定运动状态。应注意的是，通过对数据进行深入分析以及捕获更稳定和清晰的信号，还可实现进一步改进。智能贴片的其他新型功能也有望得到开发。

4. 结论

总之，我们展示了一种智能贴片，该贴片将自供电技术与无线传输技术相结合，以实现用于监测体温和运动状态的自供电无线传输系统。当距离为1厘米时，无线传输效率达到26.6%。在低于 1 MΩ的不同负载电阻下，电流保持恒定，表现出类似电流源的特性。已开发出织物电极和银纳米线电极的稳定工艺，以实现该实用系统。这些工艺具有可扩展的潜力，因为其具备低成本和易于重复的特点。此外，该自供电无线传输系统的功能在未来可以大幅扩展，例如驱动更广泛的传感器类型，并且接收到的信号可以独立且更详细地进行分析。由于人体运动状态与可穿戴摩擦电信号之间存在紧密而精细的关系，后者有可能被分析以判断前者的强度及特征。该自供电无线传输技术在连续健康监测、可穿戴消费电子产品和人工智能等广阔领域展现出巨大潜力。