Advanced Materials:自驱动柔性感知系统用于人体健康监护

柔性可穿戴设备在定制化人体健康监测以及便携式医疗等领域发展迅速,能够实时准确监测人体各种生理信号(心率、运动、声音和体温变化等),能及时守护人体健康,极大地提升人类的生活质量。然而,对于下一代生物医学设备的应用来说,迫切需要具有长巡航时间、高操作安全性和机械灵活性的可穿戴柔性传感器系统。在不需要外部电源的情况下,对生理信号进行准确、连续的检测是实现可穿戴电子产品优化和快速发展的关键技术。

这类应用不仅需要传感器能够准确、连续地检测生理信号,而且不需要庞大的连接线或外部电源的接入。自供电集成设备能够将一些环境能量高效地转化为电能,在为实现生物信号实时检测的同时,还能够实现多余能量的存储,无需外部供能就能进行持续的人体健康信息实时检测,弥补了传统柔性可穿戴设备存在的不足,为下一代生物医学设备的发展和真正实现柔性设备的便携式长续航应用提供了新的思路。

中科院半导体所王丽丽沈国震研究员和吉林大学韩炜教授报道了采用新型分层抽滤方法制备出具有3D周期分层结构的MXene/BP柔性薄膜的自供电柔性人体可穿戴系统。在此项工作中,研究者将少层Ti3C2Tx MXene与新兴二维黑磷(BP)材料采用分层抽滤形成独特的3D周期结构复合薄膜(MXene/BP),展现出超强的柔韧性和稳定性。研究者利用BP/MXene薄膜的独特的结构和电化学特性,将其分别应用于柔性微超级电容器和柔性压力传感器中,展现出复合薄膜具有多功能材料的独特性能。作者通过将柔性压力传感器与激光直写微超级电容和太阳能电池相结合,设计了一种基于MXene/BP薄膜的自供电智能传感器系统。采用分层自组装工艺形成周期性交错的MXene/BP层状结构,使直接激光写入微超级电容器具有较高的能量存储能力,用以驱动传感器工作,补偿光照明的间歇性。不仅能够在光照下工作,在黑暗的条件下也能够实现长时间正常运行,真正实现自供电柔性人体健康检测功能。同时,采用MXene/BP作为柔性压力传感器的敏感层,在弹性模量优化为0.45 MPa的情况下,器件的压力灵敏度可提高到77.61 kPa-1。此外,该智能传感器系统具有快速响应时间(10.9 ms),不仅能够在生理条件下对人体心脏状态的实时检测,还能够实时检测包括手指弯曲,关节运动等在内的一系列生理信号,对于人体生理信息的细微变化具有极强的信号捕捉能力。

研究者展示出一种新型的薄膜材料制备方法,同时实现了一种材料的两种不同应用,利用激光直写制备出MXene/BP基柔性微型超级电容器作为能量存储单元,利用MXene/BP薄膜制备了高性能柔性压力传感器作为人体信号采集单元,利用集成技术连接柔性太阳能电池作为能量供应单元,能够实现对环境能量的有益转化、存储和应用。此外,MXene/BP基柔性可穿戴系统能够实现包括心跳脉搏,手指弯曲,关节运动等生理信号的敏锐捕捉,对于新型薄膜材料的制备,下一代柔性可穿戴设备的开发和生物医疗领域的发展提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials上,并于当期Inside Back Cover做简要介绍。

论文信息:

Flexible Self‐Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus@MXene Thin‐Films

Yupu Zhang, Lili Wang*, Lianjia Zhao, Kang Wang, Yiqiang Zheng, Zeyu Yuan, Dongyi Wang, Xiyao Fu, Guozhen Shen*, Wei Han*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202007890