生物燃料电池可以完全利用汗水为可穿戴电子设备供电

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不可否认的是,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,在可以让老式台式电脑相形见绌的袖珍型智能手机和多种无线连接选择之后,有一种特殊类型的设备正在稳步发展:可穿戴生物传感器。这些微型设备通常可以直接戴在皮肤上,以测量特定的生物信号,通过将测量结果无线发送到智能手机或电脑上,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找到合适的电源一直是一个挑战。传统的纽扣电池,比如用于手表和口袋计算器的电池,太厚太笨重,而更薄的电池会造成容量甚至安全问题。但如果我们自己就是可穿戴设备的电源呢?

生物燃料电池可以完全利用汗水为可穿戴电子设备供电

由日本东京理工大学副教授Isao Shitanda带领的一个科学家团队,正在探索将汗液作为可穿戴电子设备的唯一能量来源的有效方法。他们最近的一项研究发表在《能源杂志》上,他们提出了一种新的生物燃料电池阵列设计,利用汗液中的一种化学物质乳酸,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。这项研究是与筑波大学的Tsujimura Seiya博士、理研大学的Tsutomu miawa博士、山形大学的松井裕之博士合作进行的,他们都在日本。

生物燃料电池可以完全利用汗水为可穿戴电子设备供电

科学家开发出的生物燃料电池可以完全利用人类的汗水为可穿戴电子设备供电


他们的新型生物燃料电池阵列看起来像一个纸绷带,可以戴在手臂或前臂上。它本质上是由一个防水的纸基板组成,多个生物燃料电池依次或平行地排列在纸基板上;电池的数量取决于输出电压和所需的功率。在每个电池中,乳酸和电极中的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一般电流收集器。


这并不是第一个基于乳酸的生物燃料电池,但一些关键的不同点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。其一是整个设备可以通过丝网印刷来制造,这种技术通常适合于低成本的大规模生产。这是通过材料的精心选择和巧妙的布局而实现的。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。另一个优势是乳酸输送到细胞的方式。纸层用来收集汗水,并通过毛细管效应同时将其输送到所有细胞——这与水接触水坑时迅速流过餐巾的效果相同。


这些优势使得生物燃料电池阵列展现出前所未有的能力,可以向电子电路传递能量,正如Shitanda博士所言,在我们的实验中,我们的纸质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,这种能量明显高于之前报道的乳酸生物燃料电池。为了证明其在可穿戴生物传感器和通用电子设备上的实用性,该团队制作了一种自驱动乳酸生物传感器,它不仅可以利用乳酸为自身供电并测量汗水中的乳酸浓度,还可以通过低功耗蓝牙设备将测量值实时传达给智能手机。


正如Shitanda博士之前领导的一项研究中所解释的,乳酸是实时反映体育锻炼强度的重要生物指标,这与运动员和康复患者的训练有关。然而,拟议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。我们用一滴人工汗液和我们的生物燃料电池,成功地让商用活动仪表运行1.5小时,希田博士解释说,我们希望它们能够为各种设备供电,比如智能手表和其他普通的便携设备。


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是轻而易举的事!


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