Small:从汗液中提取生物电子能源和信息

太阳能电池、热电设备和机械发电机等已知技术可以从环境中获取能量,为自给系统提供清洁能源。 然而,这些能量收集具有特定的环境要求,限制了它们的部署位置以及连续能源生产的潜力。 环境湿度无处不在的波动提供了另一种选择。 但是,由于缺乏持续的转换机制,现有的基于水分的能量收集技术只能在周围环境中产生间歇性、短暂(少于 50 秒)的能量爆发。

认识到这些限制, 南京理工大学冯章启课题组开发了一种机电耦合和湿度驱动功能二合一的单层膜,可以从环境湿度波动中产生持续的电能输出,并且这一人体湿度响应所激发输出的脉冲电信号亦可以实时地反馈人的精神状态的生物电子信息。 这一研究为可穿戴湿度发电和人生物电子信息的实时提取提供了可行的方法和物理组件。

图1. 机电耦合和湿度驱动二合一单层膜的微观结构,及其在人体情绪波动诱发精神出汗情况下发电和提取情绪生物电子信息的示意图。

该研究报告了一种新型的二合一设计策略。与传统的双层致动器不同,本工作选择了单层的 PVA@PVDF/DA纳米纤维膜(NFs)作为湿度致动器驱动的压电发电机的有效组件。高度对齐的核/壳 PVDF/DA纳米纤维已被证明具有较高的压电输出 (Advanced Materials, 2021 33(3):2006093;DOI: 10.1002/adma.202006093),因此选作机电耦合元件,进而保证了对弱驱动变形的高灵敏度。由于 PVA 与 DA 上的亲水基团之间有很强的界面吸附,因此可以通过简单的吸滤将 PVA 壳引入 PVDF/DA NFs 的界面周围。与其他双层致动器相比,这种机电耦合和湿度驱动的二合一 PVA@PVDF/DA NFs 显示出优异的稳定性并避免了潜在的分层风险。单层膜一方面充当湿度执行器,从环境湿度的波动中提取化学势能以执行机械功。另一方面,它还被同步用作机电耦合装置,将这种机械能转化为电能,从而间接地从环境水分中发电。该单层致动膜能够具有超高的湿度波动灵敏度。在检测环境湿度的细微波动方面表现出高灵敏度和准确性,甚至可以将情绪波动的精神汗液而诱发的水分波动转化为电能。与其他基于水分的能量收集策略不同,该湿度致动器驱动的压电发电机设备(HAPG)可以从环境水分中持续地收集电能。

更为重要的是,该单层膜亦可以通过精神出汗激发的皮肤周围环境湿度变化反向追踪人精神状态的变化,例如,紧张、愤怒、害怕、活跃思维等,这一功能的实现为人体精神状态的检测提供了另一有效途径,可以应用于人类个体情绪信号的实时提取与网络传输,为未来人类健康检测与精神状态分析等可穿戴设备的开发提供了一种行之有效的方法和物质组件。

图2. PVA@DA/PVDF NFs对周围环境湿度波动的响应性能。a) 由周围一滴水的湿度波动引起的PVA@DA/PVDF膜的单向移动的示意图和快照。b) 在单向行走过程中PVA@DA/PVDF NFs的输出电压曲线,记录了每次循环移动中的细微变形过程。c) PVA@DA/PVDF NFs在温和的呼吸行为下感应湿度波动的示意图。d) 由呼气、打鼾和说话引发的PVA@DA/PVDF NFs输出电压曲线,以及与这些呼吸行为对应的波特性。黑色、红色和蓝色箭头分别表示PVA@DA/PVDF NFs的吸附、应力反弹和水解吸过程。e) 当手掌在水平方向接近和离开薄膜时,通过PVA@DA/PVDF NFs。产生电的示意图。f) 在手掌和薄膜之间的不同工作距离(皮肤含水量:45%,工作频率:≈0.5赫兹),手掌离薄膜越远,所测电量越小。g) 手掌和PVA@DA/PVDF NFs之间的距离展现出输出电压和环境湿度波动呈线性关系。h) 不同外负载电阻下HAPG的电流、电压和i)峰值功率。手掌皮肤含水量为50%,移动频率为0.5Hz,垂直距离为5mm。j) 由HAPG充电时1µF电容器上的电压。插图是持续供电的电路图。上述所有工作距离均指手掌与薄膜之间的垂直距离,空气相对湿度为43%。
图3.从收集的电压曲线中提取的个性化典型汗液阻尼振荡曲线。a) 神经反射弧诱导的个性化汗液分泌示意图。b)身体应急响应和c)生理自我调节引起的脑汗阻尼振荡波形和特征峰。d) 特征峰之间的间隔时间。e) 迷走神经兴奋发生和传递的总时间,以及特征峰之间的平均间隔时间。

该研究在东南大学生物电子学国家重点实验室、东部战区总医院、同济大学等多个单位的协助下共同完成了人体应用的理论评估和临床医学评价。该研究获得国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金资助。该论文第一作者博士生李通同学感谢江苏省研究生科研与实践创新项目以及国家留学基金委的支持。

论文信息:

Power Generation from Moisture Fluctuations using Polyvinyl Alcohol-Wrapped Dopamine/Polyvinylidene Difluoride Nanofibers

Tong Li, Fei Jin, Minghe Qu, Fan Yang, Jin Zhang, Tao Yuan, Wei Dong, Jie Zheng, Ting Wang, Zhang-Qi Feng*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102550

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102550