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可穿戴生物燃料电池现在可以用乳酸发电

人工智能 2021-08-02 16:08:00

不可否认,在过去的几十年里,电子设备的小型化取得了巨大的进步。今天,在可以让旧台式电脑相形见绌的袖珍智能手机和大量无线连接选项之后,有一种特殊类型的设备正在稳步发展:可穿戴生物传感器。这些微型设备通常旨在直接佩戴在皮肤上,以测量特定的生物信号,并通过将测量结果无线发送到智能手机或计算机,跟踪用户的健康状况。

尽管材料科学家已经为可穿戴设备开发了多种类型的柔性电路和电极,但为可穿戴生物传感器寻找合适的电源一直具有挑战性。传统的纽扣电池,如手表和袖珍计算器中使用的纽扣电池,太厚太笨重,而更薄的电池会带来容量甚至安全问题。但是,如果我们自己是可穿戴设备的电源呢?

由东京理科大学的 Isao Shitanda 副教授领导的一组科学家正在探索将汗液作为可穿戴电子设备唯一电源的有效方法。在他们最近发表在《电源杂志》上的研究中,他们提出了一种生物燃料电池阵列的新设计,该阵列使用汗液、乳酸中的化学物质来产生足够的能量来在短时间内驱动生物传感器和无线通信设备。该研究是与筑波大学的 Seiya Tsujimura 博士、RIKEN 的 Tsutomu Mikawa 博士和山形大学的 Hiroyuki Matsui 博士合作进行的,他们都在。

他们新的生物燃料电池阵列看起来像一块纸绷带,可以戴在手臂或前臂上。它主要由防水纸基材组成,上面串联和并联多个生物燃料电池;电池的数量取决于所需的输出电压和功率。在每个电池中,乳酸和电极中存在的酶之间的电化学反应产生电流,该电流流向由导电碳糊制成的通用集电器。

这不是第一个基于乳酸的生物燃料电池,但一些关键差异使这种新颖的设计从现有的基于乳酸的生物燃料电池中脱颖而出。一个是整个设备可以通过丝网印刷制造,这种技术通常适用于具有成本效益的大规模生产。这可以通过精心选择材料和巧妙的布局来实现。例如,之前类似的电池使用银线作为导电路径,而现在的生物燃料电池使用多孔碳墨水。另一个优点是将乳酸输送到细胞的方式。纸层用于收集汗液,并通过毛细管效应将其同时输送到所有细胞 - 当水与水坑接触时,水会迅速通过餐巾纸的效果相同。

这些优势使生物燃料电池阵列展现出前所未有的向电子电路供电的能力,正如 Shitanda 博士所说:“在我们的实验中,我们的纸基生物燃料电池可以产生 3.66 V 的电压和 4.3 mW 的输出功率。据我们所知,这种功率明显高于先前报道的乳酸生物燃料电池。” 为了证明它们对可穿戴生物传感器和通用电子设备的适用性,该团队制造了一种自驱动乳酸生物传感器,它不仅可以使用乳酸为自身供电并测量汗液中的乳酸浓度,还可以将测量值实时传送到智能手机通过低功耗蓝牙设备。

正如 Shitanda 博士领导的先前研究中所解释的那样,乳酸是一种重要的生物标志物,可以实时反映体育锻炼的强度,这与运动员和康复患者的训练有关。然而,所提出的生物燃料电池阵列不仅可以为可穿戴乳酸生物传感器供电,还可以为其他类型的可穿戴电子设备供电。“我们设法使用一滴人造汗液和我们的生物燃料电池驱动商用活动计 1.5 小时,”Shitanda 博士解释说,“我们预计它们应该能够为各种设备供电,例如智能手表和其他常见的便携式小工具。”

希望随着可穿戴生物燃料电池的进一步发展,为便携式电子设备和生物传感器供电将不再困难!

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