可穿戴传感器广泛应用受限于安全性、生物相容性、大型设备体积和复杂操作等问题。为减少电池需求，设备设计需要在使用有线电源和刚性电池之间做出权衡，而能量收集器则依赖外部环境或用户活动，增加系统复杂性和能量损耗。近期研究展示了将能量收集与存储整合的微电网系统的可行性，这种系统通过优化与传感组件的匹配性，提升能量利用效率并延长运行时间，但仍需解决自主供电、微型化和舒适性等挑战。

近日，加州大学圣地亚哥分校的Joseph Wang教授团队在Nature Electronics发表了题为“A fingertip-wearable microgrid system for autonomous energy management and metabolic monitoring”的文章。该研究介绍了一种创新的指尖可穿戴微电网系统，集自主汗液发电、储能和汗液靶标物质监测功能于一体，佩戴在指尖操作，旨在克服传统可穿戴健康监测平台中的能源供应、传感能力、电路调节和体积较大等问题。

指尖能量管理模块的设计及是基于生物燃料电池（BFCs）和AgCl-Zn电池的化学性质以及它们之间的相互作用。BFCs通过阳极的乳酸氧化和阴极的氧还原反应，在0.5V时可实现最高约120µA/cm²的电流密度，并在10小时内产生约634mJ的能量。柔性可拉伸AgCl-Zn电池作为能量储存单元，确保机械拉伸性、轻量化和用户舒适性，并在反复机械变形下表现出灵活性和耐久性。集成的BFC和AgCl-Zn电池系统在15mM乳酸浓度下，为AgCl-Zn电池充电，持续供应16-19µA电流，电池电压超过1V，8小时充电后支持25µA放电超过6小时，累积能量容量超过150µAh。

通过不同条件下指尖触摸BFC测量评估了其生物能量收集能力，结果表明延长与汗液接触时间可增加收集的能量。单个BFC在日间办公和夜间睡眠8小时内分别收集了约125和90µAh的电量，显示出其在长时间内稳定收集并存储能量的能力。

由渗透性汗液驱动的微流体生物化学传感平台由水凝胶、电化学传感器阵列和纸基微流体通道组成，通过渗透作用从皮肤表面提取汗液并运输至传感器阵列，连续监测维生素C、葡萄糖、乳酸和左旋多巴四种生物标志物。该系统具有生物相容性，低功耗（低于2mW），可通过日常活动实时收集和监测数据，确保MCU连续运行达16小时。检测结果可以通过手机APP或网页应用程序实时翻译并显示给用户。

该系统通过渗透提取实现多个生物标志物的连续监测，展现了在日常活动追踪中的高效性和实用性，具有在无创健康监测和日常生理参数跟踪方面的广阔应用前景。通过优化电路设计、电池和低功耗传感模块，可显著提高设备的寿命、稳定性和功能性，保持能量生成与消耗的持续平衡，使其在个性化健康监测和管理中具有广泛应用潜力。

论文链接：

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

注：此研究成果摘自《Nature Electronics》杂志，文章内容并不代表本网站的观点和和立场，仅供参考。