新型可穿戴传感器创下太阳能发电效率纪录

通过蓝牙与可穿戴汗液传感器配对的手机应用程序

汗水，就像血液一样，可以告诉我们很多关于一个人的健康。而且方便的是，收集它的侵入性要小得多。这就是医学工程助理教授、传统医学研究所研究员、罗纳德和乔安妮·威伦斯学者Wei Gao开发的可穿戴式汗液传感器背后的前提。

在过去的五年里，Gao在他的可穿戴设备上不断增加功能，使其能够读取盐、糖、尿酸、氨基酸和维生素的水平，以及C反应蛋白等更复杂的分子，这些分子可以及时评估某些健康风险。最近，高与奥地利林茨约翰内斯开普勒大学的马丁·卡尔滕布伦纳团队合作，用柔性太阳能电池为这些可穿戴生物传感器供电。

Gao实验室使用的太阳能电池是由钙钛矿晶体制成的，这种材料与首次在矿物钙钛氧化物中发现的化学结构相同。钙钛矿之所以引起太阳能电池开发商的注意，有几个原因：

首先，它的制造成本比硅（自20世纪50年代以来用于太阳能电池的主要材料）低，硅必须通过多种工艺进行高度纯化。

其次，钙钛矿比硅太阳能电池层薄1000倍，用高的话说，这使其成为“准2D”。

第三，钙钛矿可以调谐到不同照明的光谱，从户外阳光到各种形式的室内照明。

最后，对于太阳能先驱来说，最令人振奋的是，钙钛矿太阳能电池实现了比硅更高的功率转换效率（PCE），这意味着它们可以将接收到的更大比例的光转换为可用电力。

硅太阳能电池的PCE水平在26%至27%之间，尽管在常规使用中，这一水平徘徊在18%至22%之间。相比之下，高的可穿戴汗液传感器上的柔性钙钛矿太阳能电池（FPSC）在室内光照下的PCE超过31%，创下了历史新高。

可佩戴的汗液传感器显示皮肤旁边的层（左）和柔性太阳能电池（右）。中间层包括电子和生物标志物传感器

“我们不想只使用强烈的阳光为我们的可穿戴设备供电。我们更关心现实生活中的条件，包括正常的办公室和家庭照明。许多太阳能电池在强烈的阳光下有很高的效率，但在微弱的室内照明条件下却没有。”Gao说，汗液传感器上的FPSC特别适合室内照明，因为“FPSC的光谱响应与常见的室内照明发射光谱非常匹配。”

Gao的可穿戴汗液传感器的先前迭代由锂离子电池供电，这些锂离子电池体积庞大，必须使用外部电源充电。寻找更轻，更可再生的电力来源来为这些高需求设备供电，导致Gao的实验室尝试使用硅太阳能电池，他们发现硅太阳能电池过于僵化，效率低下，并且依赖于强照明条件。

他们还尝试从人体汗液（一种现成的生物燃料）和身体运动中的化学物质中收集能量，但发现这些太不稳定或需要佩戴者付出太多努力。

使用FPSC使Gao能够制造出每天可以佩戴12小时的汗液传感器，提供pH，盐，葡萄糖和温度的连续监测，并定期监测（每10至<>分钟）出汗率。所有这些都是在没有电池或专用光源的情况下完成的。此外，随着电源变得更轻、不那么笨重，可穿戴设备有空间容纳额外的探测器来同时监测更多的生物标志物。

汗液传感器将佩戴在身体上，能够由阳光和环境室内光供电

这种新型可穿戴汗液传感器与其前辈一样，以折纸般的方式组装，各个层专用于不同的过程。传感器有四个主要的相互作用组件。第一个专门用于电源管理——支付太阳能电池收集的电力。第二种可实现离子电渗疗法，即无需任何运动或暴露于佩戴者所需的高温即可诱导出汗。

在Gao的研究中，每三个小时进行一次离子电渗疗法，以确保有足够的汗液来连续监测所观察的生物标志物。第三种可以对汗液中的各种物质进行电化学测量。第四个管理数据处理和无线通信，允许传感器与手机应用程序连接，以显示传感器监控的持续结果。

该传感器完全组装，尺寸为20 x 27 x 4毫米，可以处理与佩戴在身体上相关的机械应力。“汗液传感器的大多数元件，如电子设备和FPSC，都是可重复使用的，”Gao补充道。“唯一的例外是传感器贴片，它是一次性的，可以使用喷墨打印以低成本批量生产。这些传感器贴片也可以根据用户希望测量体内的物质进行定制。

柔性钙钛矿太阳能电池为Wei Gao的可穿戴汗液传感器提供动力

随着这些太阳能汗液传感器投入使用，它们将能够测量比目前任何健身或健康追踪器更多的测量。例如，它们可用于糖尿病管理（研究表明，汗液中的葡萄糖与血液中的葡萄糖非常匹配）和检测一系列疾病，如心脏 病、囊性纤维化和痛风。

由于它们是非侵入性的，并且可以在短时间内进行多次测量，因此这些传感器可以识别个人的皮质醇，激 素或各种营养素和药物的代谢物等物质的基线。

一旦知道这些物质的基线水平，未来与这些物质的偏差将提供比单次抽血更有效的诊断手段。由于传感器相对便宜，人们希望它们可以成为全球（包括发展中国家）的优秀诊断工具。