可穿戴和可植入的设备目前用于多种功能，包括健康跟踪和监控．然而，供应能源通常需要笨重的电池和停机由于充电。现在，一个国际研究团队提出，材料和电子设计的进步可能能够将生物机械能转化为电能，为可佩戴和植入但不需要持续充电的设备铺平道路，据Huanyu“Larry”Cheng说，多萝西·奎格尔工程科学与机械系职业发展教授。他说:“在这项特别的评估中，我们正在寻找不需要电池和其他组件的可能的能源供应，所以为自供电设备或也可以用来给电池充电的设备创造这些能量采集器是特别有趣的。”
Cheng表示，该团队从两个角度审视了这一领域:创造能够收集能量的设备，以及开发传感器可以为自己提供动力。他说，能量采集器可以产生能量为其他设备供电，而自供电传感器可以提供自己的能量作为独立设备。Cheng补充说，在某些情况下，为传感器产生能量的运动也可能是传感器试图收集的数据。直接“它可以作为传感器,因为它可以获取能量,所以它可以提供监控运动的能力——例如心跳——或任何传感器应用于,然后它可以传输的信息环境中,或从身体里,所以它可以分析,”Cheng说。
这些生物传感器可以带来更精确的医疗保健和远程医疗机会。
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研究人员说，可拉伸压电材料——一种可以积聚电荷的固体物质——对这一发展至关重要。由于人体组织是柔软的，而且形状不断变化，因此这些材料需要能够在这些组织弯曲和移动时伸缩。“这些设备可能包括皮肤表面的可穿戴设备，”程说。“对于这些类型的设备，我们可以从皮肤表面捕捉血流、心跳、呼吸速率和产生振动的类似运动的信息。”
使用新材料，运动肌肉的弯曲运动，通常是刚性的可穿戴设备的障碍，实际上可以帮助产生能量，然后这些能量被生物传感器捕获并用作能量。
然而，根据研究人员的说法，生物传感器可能不只是局限于皮肤表面，而是有一天可以被植入体内。据Cheng说，在过去十年中，材料设计和开发的进步已经帮助研究人员开发出了压电材料，这种材料足够灵活和坚固，可以承受体内的环境，同时它们非常敏感和高效，可以捕捉和转换非常微小的运动，比如心跳和呼吸。
“这是这些设备的惊人之处，人们认为这些类型的运动是非常小的，而不考虑收集这些能量，”Cheng说。“这是在过去的十年或二十年,当人们开始看到的可能性从这些运动中产生相当大的信号通过高效电路也使用高效整流电路,这将消耗大量的能量,如果不是正确设计。”
该团队还在研究制造一种能执行双重任务的传感器——它们可以从它们设计用来监控的人体过程中收集能量。例如，传感器可以从心跳中获取能量，并将心脏上的信息传递给监测病人心血管状况的医生。
由于需要计算资源来创建实现这些高性能设备的精确模型，Cheng预计未来的工作将需要先进的计算系统，如ICDS-ACI提供的系统。
宾夕法尼亚州立大学工程、机械工程技术助理教授廖亚斌补充说，分析过去设计可伸缩能量收集器和自供电传感器的方法，可以帮助研究人员解决当前的设计挑战。“精确的模型为系统行为的分析和数值分析提供了一个有用的平台，并允许系统参数的设计优化，”廖说。“我们总结了柔性压电传感器和能量采集器的工作原理和代表性模型，并讨论了它们与传统器件相比的独特特性。我们还提供了一个关于这些模型与传统模型之间联系的重要视角，从而在系统层面上对它们的行为产生了更深的理解。”
这项研究发表在科学指引。
来源:宾夕法尼亚州立大学
