加州理工学院开发的太阳能可穿戴汗液传感器使用钙钛矿太阳能电池供电，能够在室内条件下实现持续健康监测。

这些传感器能够追踪多种生物标志物，是一种成本效益高的非侵入性健康管理工具。

可穿戴式汗液传感器

汗液与血液一样，蕴含着宝贵的健康信息，但其采集方式的侵入性要小得多。这一理念推动着由加州理工学院医学工程助理教授、传统医学研究所研究员以及罗纳德和乔安妮·威伦斯学者魏高（Wei Gao）研发的可穿戴汗液传感器的发展。

过去五年间，高先生改进了这些可穿戴设备，使它们能够检测包括盐分、糖分、尿酸、氨基酸、维生素，甚至C反应蛋白（某种健康风险的信号）等复杂的健康指标。在他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开发的最新创新中，高先生为这些传感器配备了柔性太阳能电池，使其能够无需电池即可持续运行。

太阳能可穿戴技术的进展

高教授实验室所用的太阳能电池由钙钛矿晶体材料制成，这种材料的化学结构最初在矿物钛酸钙中发现。钙钛矿因以下几个原因而受到太阳能电池开发者的青睐：首先，其制造成本比硅（自20世纪50年代以来太阳能电池中使用的主要材料，需经过多重工序高度提纯）更低。其次，钙钛矿比硅太阳能电池层薄1000倍，用高教授的话来说就是“准二维”的。第三，钙钛矿可以适应从户外阳光到各种室内照明形式的不同光照光谱。最后，对于太阳能领域的先驱来说，最具吸引力的一点是，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）高于硅太阳能电池，这意味着它们能将接收到的更大比例的光转换成可用的电能。

钙钛矿太阳能电池效率的提升

硅太阳能电池的光电转换效率（PCE）已达到26%至27%，尽管在常规使用中，其光电转换效率通常在18%至22%之间。相比之下，高（Gao）的可穿戴式汗液传感器上安装的柔性钙钛矿太阳能电池（FPSC）在室内光照下的光电转换效率超过31%，创下新纪录。“我们不仅仅想利用强烈的阳光为可穿戴设备供电，”高解释道，“我们更关注更多的现实生活场景，包括正常的办公室和家庭照明。许多太阳能电池在强烈阳光下效率很高，但在室内微弱光线条件下则不然。”高表示，汗液传感器上的FPSC尤其适合室内照明，因为“FPSC的光谱响应与常见的室内照明发射光谱非常匹配”。

可穿戴设备向太阳能供电的转变

高（Gao）的可穿戴汗液传感器的早期版本由体积庞大的锂离子电池供电，必须借助外部电源充电。为了给这些高需求设备寻找更轻便、更可再生的电力来源，高的实验室尝试使用硅太阳能电池，但他们发现硅太阳能电池过于僵硬、效率低下且严重依赖强烈的光照条件。他们还尝试了从人体汗液（一种现成的生物燃料）中的化学物质和人体运动中收集能量，但发现这些方法太不稳定，或者需要佩戴者付出太多努力。

使用新型传感器进行持续健康监测

通过使用柔性平面超级电容器（FPSC），高研究员制造出了可佩戴12小时的汗液传感器，实现了对pH值、盐分、葡萄糖和温度的持续监测，以及对排汗率进行周期性监测（每5到10分钟监测一次）。所有这些功能的实现都无需电池或专用光源。此外，由于电源变得更轻、更简便，这款可穿戴设备还有空间容纳额外的探测器，以便同时监测更多的生物标志物。

最新可穿戴传感器的设计与功能

这款新型可穿戴汗液传感器与前代产品一样，采用类似折纸的方式进行组装，各层负责不同的处理流程。该传感器有四个主要交互组件。第一个组件负责电源管理，分配太阳能电池收集的电能。第二个组件可实现离子电渗疗法，让佩戴者无需运动或暴露于高温下即可诱导出汗。在高（Gao）的研究中，每三小时进行一次离子电渗疗法，以确保有足够的汗液供持续监测观察中的生物标志物。第三个组件可对汗液中的各种物质进行电化学测量。第四个组件负责数据处理和无线通信，从而使传感器能够与手机应用程序连接，显示传感器监测的实时结果。

太阳能供电汗液传感器的经济与临床潜力

完全组装后，传感器尺寸为20 x 27 x 4毫米，能够承受佩戴在人体上所产生的机械压力。高教授补充道：“汗液传感器的大多数元件，如电子元件和柔性聚合物应变复合传感器（FPSC），都是可重复使用的。唯一的例外是一次性传感器贴片，它可以使用喷墨打印技术低成本批量生产。”这些传感器贴片还可以根据用户希望在体内测量的物质进行定制。

对健康监测的更广泛影响

随着这些太阳能汗液传感器的投入使用，它们所能测量的指标将远超现有的任何健身或健康追踪器。例如，它们可以用于糖尿病管理（研究表明，汗液中的葡萄糖与血液中的葡萄糖密切相关），以及检测心脏病、囊性纤维化、痛风等一系列疾病。由于这些传感器具有无创性，且能在短时间内进行多次测量，因此可以辨别出个体在皮质醇、激素或各种营养素和药物的代谢产物等物质上的基线水平。一旦确定了这些物质的基线水平，未来对这些基线水平的任何偏离都将比单次采血提供更有效的诊断手段。而且，由于传感器成本相对较低，因此有望成为全球（包括发展中国家）极佳的诊断工具。

参考文献：吉红敏、斯特潘·德姆奇申、朱利安·R·森皮奥纳托、于松、贝克莱·海尔格纳、常浩徐、杨艺然、塞缪尔·所罗门、克里斯托夫·普茨、卢卡斯·E·莱纳、茱莉亚·费利西塔斯·施瓦茨、克莱门斯·施瓦辛格、马库斯·克拉克·沙尔伯、埃尔桑·希尔扎伊·萨尼、马丁·卡尔滕布伦纳、魏高，《由钙钛矿太阳能电池供电的自主可穿戴生物传感器》，2023年7月20日，《自然·电子学》期刊。DOI：10.1038/s41928-023-00996-y

本研究得到了美国国家卫生研究院 (National Institutes of Health)、海军研究局太空健康办公室 (Office of Naval Research for Space Health)、美国国家科学基金会 (National Science Foundation) 和欧洲研究委员会 (European Research Council) 起始基金的资助。论文合著者包括加州理工学院 (Caltech) 的吉红敏、朱利安·R·森皮昂纳托 (Juliane R. Sempionatto)、宋雨、徐昌浩、杨逸然、塞缪尔·所罗门 (Samuel Solomon) 和埃尔桑·希尔扎伊·萨尼 (Ehsan Shirzaei Sani)，以及约翰内斯开普勒大学林茨分校 (Johannes Kepler University Linz) 的斯特凡·德姆奇申 (Stepan Demchyshyn)、贝克莱·海尔格纳 (Bekele Hailegnaw)、克里斯托夫·普茨 (Christoph Putz)、卢卡斯·莱纳 (Lukas Lehner)、朱莉娅·费利西塔斯·施瓦茨 (Julia Felicitas Schwarz)、克莱门斯·施瓦辛格 (Clemens Schwarzinger)、马库斯·沙尔伯 (Markus Scharber) 和马丁·卡尔滕布伦纳 (Martin Kaltenbrunner)。

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