闽江学院&宾州州立大学&中科院半导体所Applied Physics Reviews:柔性可穿戴在线、连续生理信号智能监测平台
随着平均寿命的增长，老龄化的问题都日趋严重，非传染性慢病（如心脑血管疾病、糖尿病、帕金森病等）现已成为人类健康和生命的主要威胁，是当前社会面临的全球性医疗危机。虽然伴随着传感器技术、信息采集和处理技术以及互联网技术的迅速发展，但是传统生理参数监护设备无法满足便携化、智能化、网络化、精准化、模块化以及柔性化的需求，极大的限制了生理参数监护设备的应用范围。因而，构建可穿戴的在线、连续生理信号智能监测平台具有十分重要的现实意义和应用价值。
有鉴于此，闽江学院海洋传感功能材料福建省重点实验室张诚博士、王军教授课题组联合美国宾州州立大学程寰宇教授课题组和中国科学院半导体研究所徐云研究员课题组等合作，报道了利用柔性可延展纳米发电机、整流器以及平面微型超级电容器阵列实现将人体运动机械能转化为稳定连续的电能，驱动柔性可穿戴传感器(脉搏、应变、温度、心电、血压和血氧)以及蓝牙无线传输设备，获得了人体生理信号的在线、连续高灵敏采集，为远程医疗提供了新的思路，具有广阔的前景。文章发表于2022年1月4日的Applied Physics Reviews上。
图1：利用柔性可延展纳米发电机、整流器以及平面微型超级电容器阵列将机械能转化为连续、稳定的电能，驱动柔性可穿戴传感器在线、连续监测人体生理信号(脉搏、应变、温度、心电、血压和血氧)的示意图。
图2：基于光还原石墨烯(LIG)泡沫电极材料的生理信号传感器输出性能。
图3：利用摩擦纳米发电机、整流器以及平面微型超级电容器阵列将人体行走过程中的机械能转化为电能，实现为可穿戴脉搏传感器和蓝牙传输电路的连续供能，获得了人体脉搏信号的在线、连续监护。
【工作亮点】
要点1：利用激光还原技术，实现了三维多孔光还原石墨烯(LIG)泡沫材料的图案化定制，得益于高比表面积(380 m2g-1)和导电率(80 Ωcm-2)，其作为纳米发电机电极材料、平面微型超级电容器阵列电极材料及柔性可穿戴传感器电极材料能够分别实现将感应电荷的有效转移、载流子的高效输运与存储以及识别且定量分析生理信号。此外，通过无机盐修饰和激光二次还原，可以实现对LIG泡沫的功能化修饰，从而为进一步调控优化柔性可穿戴器件的性能提供可能性。
要点2：联合纳米发电机、整流器以及平面微型超级电容器实现了高效地收集人体机械能并将其转化为连续、稳定的电能，利用平面微型超级电容器的串联和/或并联实现了自充电能源单元输出电压、电流及功率的调控，从而实现为各种可穿戴电子器件持续供电。
要点3：采用模块化设计的柔性可穿戴生理信号传感器具有轻薄柔软、亲肤灵活、便宜耐用、良好传感性能、成本低廉、易于集成等特点，同时借助无线传输技术可以实现生理信号(如脉搏、应变、温度、心电、血压和血氧)的监测。
【总结展望】
综上所述，这项工作基于激光还原技术，构建了基于纳米发电机、整流器以及平面微型超级电容器阵列的柔性可延展绿色电源驱动的轻薄柔软、良好传感性能生理传感器，建立了高性能、低成本、柔性可穿戴在线、连续生理信号智能监测平台的新策略。此外，还可以根据需要，利用无机盐修饰和激光二次还原技术在三维多孔的LIG支架上原位上“生长”纳米材料实现其功能化改性，优化并拓宽可穿戴器件的功能。
这项工作得到了国家自然科学基金(52002162, 12174172)、福建省自然科学基金(2021J011040)、福州市滚球体育 计划项目(2020-S-29)以及闽江学院青年人才优培计划的支持。
参考文献：Cheng Zhang*, Huamin Chen, Xiaohong Ding, Farnaz Lorestani, Chunlei Huang, Bingwen Zhang Biao Zheng, Jun Wang*, Huanyu Cheng*, and Yun Xu, Human motion-driven self-powered stretchable sensing platform based on laser-induced graphene foams,Appl. Phys. Rev., 9, 011413 (2022).
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