可穿戴的生物燃料电池产生乳酸的电力

在过去的几十年里，它不能被否认小型化电子设备迈出了巨大的进步。今天，在口袋大小之后智能手机这可能会使旧台式计算机羞耻和过多的无线连接选项，有一种特定类型的设备，其开发一直在稳步推进：可穿戴生物传感器。这些微小的装置通常意味着直接佩戴在皮肤上，以便测量特定的生物功能，并且通过将测量无线发送到智能手机或计算机，跟踪用户的健康。

虽然材料科学家们开发了许多类型的柔性电路和电极可穿戴设备在美国，为可穿戴生物传感器找到合适的电源一直是一个挑战。传统的纽扣电池，如手表和袖珍计算器，太厚太笨重，而更薄的电池则会带来容量甚至安全问题。但如果我们自己就是可穿戴设备的动力源呢?

由日本东京科学大学副教授Isao Shitanda领导的一组科学家正在探索将汗液作为可穿戴电子产品的唯一动力来源的有效方法。在他们最近的研究中，发表在电源杂志，它们为生物燃料电池阵列提供了一种新颖的设计，这些细胞阵列在汗水中使用化学品，乳酸，以产生足够的电力，在短时间内驱动生物传感器和无线通信设备。这项研究是由日本筑波大学的Seiya Tsujimura博士、理研所的Tsutomu Mikawa博士和山方大学的Hiroyuki Matsui博士共同完成的。

他们的新型生物燃料电池阵列看起来就像一个纸绷带，可以戴在手臂或前臂上。它本质上是由一个防水纸基板组成，多个生物燃料电池串联或并联放置在基板上;电池的数量取决于输出电压和所需功率。在每个电池中，电极中的乳酸盐和酶之间的电化学反应产生电流，电流流向由导电碳糊制成的通用电流收集器。

这不是第一个基于乳酸的生物燃料电池，但一些关键的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脱颖而出。一个是整个设备都可以通过丝网印刷制作，这种技术通常适用于具有成本效益的大规模生产。这是通过对材料的精心选择和巧妙的布局实现的。例如，以前类似的电池使用银线作为传导路径，而现在的生物燃料电池使用多孔碳墨水。另一个优点是乳酸输送到细胞的方式。纸层被用来收集汗液，并通过毛细血管效应将汗液同时输送到所有细胞中——这和水在接触到水坑时迅速流过餐巾的效果是一样的。

这些优势使得生物燃料电池阵列表现出前所未有的能力为电子电路提供电力，如Shitanda备注：“在我们的实验中，我们的纸质生物燃料电池可能会产生3.66 V的电压和4.3 mW的输出功率。据我们所知，这种力量明显高于先前报告的乳酸生物燃料细胞。“为了证明他们对可穿戴的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驾动乳酸生物传感器，它不仅可以使用乳酸和测量汗液中的乳酸浓度，而且还可以将测量值实时传达给智能手机通过低功耗蓝牙设备。

如前一项研究所述也由Shitanda博士领导，乳酸是一个重要的生物标志物，其实时反映了体育锻炼的强度，这与运动员和康复患者的培训相关。然而，所提出的生物燃料电池阵列可以不仅能为可穿戴乳酸生物传感器而动力，而且可以为其他类型的可穿戴电子产品供电。“我们设法使用一滴人工汗水和我们的生物燃料细胞驾驶市售的活动表1.5小时，”Shitanda博士解释说，“我们希望他们能够为各种设备提供供电，如智能手表等其他常见的便携式小工具。“