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  可穿戴傳感器能夠?qū)崟r測量不同的生物信號，具有從健康監(jiān)測到人機(jī)交互等多種應(yīng)用潛力。然而，這類設(shè)備的廣泛應(yīng)用受到多種實(shí)際限制的制約，包括安全性和生物相容性問題、大型設(shè)備體積、不可靠的操作以及使用不便等。為滿足某些需求，往往需要在設(shè)計(jì)上做出權(quán)衡。例如，為減少對電池的需求，常使用有線或短距離無線電源，這會限制用戶的活動自由。使用剛性電池雖然減少了電源問題，但卻增加了設(shè)備的體積，并且需要頻繁充電或更換電池，還可能帶來安全隱患。另外，可穿戴能量收集器雖然可以集成到系統(tǒng)中，但它們依賴于特定的外部環(huán)境（如光和溫度）或用戶活動（如運(yùn)動和鍛煉）來獲取能量，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，需增加轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)電路，導(dǎo)致能量損耗。此外，連續(xù)的汗液生物標(biāo)志物監(jiān)測通常依賴于體力活動或電刺激來提取汗液，這進(jìn)一步增加了能量消耗，限制了這類系統(tǒng)的實(shí)用性和用戶友好性。

  近期研究表明，創(chuàng)建具有兼容外形尺寸、相應(yīng)功率等級和在傳感與能量模式之間具備互補(bǔ)特性的可穿戴微電網(wǎng)系統(tǒng)的可行性。這樣的系統(tǒng)依賴于將能量收集與能量存儲功能整合在一起，并具有匹配的電氣特性，以最大限度地減少能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗，提高能量的可靠性并延長設(shè)備的運(yùn)行時間。這些能量系統(tǒng)應(yīng)與具有相似外形尺寸的電子元件和傳感組件相結(jié)合，并針對特定的使用場景進(jìn)行優(yōu)化，從而減少設(shè)備的體積并提高其實(shí)用性。為了進(jìn)一步發(fā)展可穿戴微電網(wǎng)，特別需要解決與可持續(xù)自主供電、微型化、自我調(diào)節(jié)、按需多傳感器生物標(biāo)志物檢測、安全性以及舒適佩戴性相關(guān)的挑戰(zhàn)。

圖1. 指尖式可穿戴一體化微電網(wǎng)原理與設(shè)計(jì)

圖2. BFC和柔性AgCl-Zn電池的表征。

圖3. In vivo 能量收集與電池充電。

圖4. 滲透性汗液驅(qū)動的生物化學(xué)傳感平臺。

圖5. 集成指尖可穿戴微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01236-7

作者簡介

Joseph Wang教授

  Joseph Wang是美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）化學(xué)與納米工程學(xué)的杰出教授、SAIC捐贈教授兼可穿戴傳感器中心主任。在過去的30年里，Wang教授在微型機(jī)器人、可穿戴傳感器和生物電子學(xué)領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。王及其研究團(tuán)隊(duì)所取得的進(jìn)展至今已在Nature, Nature Medicine, Nature Materials, Nature Electronics, Nature Review Materials, Nature Biomedical Engineering, Science Robotics, Science Advances, 等期刊發(fā)表1200多篇論文，引用超過170,000次，H因子208。Wang教授是美國國家發(fā)明家科學(xué)院（NIA），英國皇家化學(xué)學(xué)會（RSC）、電化學(xué)學(xué)會（ECS）和美國醫(yī)學(xué)與生物工程院（AIMBE）的院士。他已發(fā)表超過1300篇研究論文，撰寫了12本書籍，并擁有60項(xiàng)專利。自2015年以來，他一直是湯森路透的高被引研究者（H指數(shù)為208）。Wang教授還被8所不同的大學(xué)授予名譽(yù)教授頭銜，并獲得了3項(xiàng)美國化學(xué)會（ACS）國家獎（分析化學(xué)、電化學(xué)和儀器獎）、Pittcon生物分析化學(xué)獎、2021年Talanta獎?wù)�、Breyer獎?wù)拢ò拇罄麃啠eyrovsky獎?wù)拢ń菘耍┖蚐peirs獎?wù)拢≧SC）、國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）分析化學(xué)獎?wù)�，以�?021年IEEE傳感器成就獎。

丁士超博士

  加州大學(xué)圣地亞哥博士后研究員，博士畢于華盛頓州立大學(xué)，師從電化學(xué)領(lǐng)域國際知名專家Yuehe Lin院士，主要研究方向是納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在電催化、生物傳感及生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用。后加入加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校杰出教授Joseph Wang院士課題組開展博士后研究，主要研究內(nèi)容是可穿戴柔性電子器件。目前在Nature Medicine, Nature Electronics, Nature Review Materials, Nature Synthesis, Nature Review Endocrinology, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Analytical Chemistry,等期刊共發(fā)表SCI論文75篇，以第一作者或通訊作者共發(fā)表SCI論文33篇，引用3000+余次，H因子30。目前擔(dān)任Advanced Energy Conversion Materials期刊副主編, The Innovation (Cell press, IF=33.1), Advanced Powder Materials (Elsevier, IF=28.6), Exploration, The Innovation Materials, Interdisciplinary Medicine, Soft Science, Energy Materials and Devices期刊青年編委, Discover Catalysis期刊編委，Discover Nano, Micro and Nano Systems Letters等期刊客座/主題編輯，和Nature Synthesis, Nature Communications等100多個國際期刊審稿人, 審稿350+余次。