一、研究背景
柔性可穿戴传感设备可以替代传统笨重的检测仪器，在日常健康监测、早期疾病治疗和人机交互等领域具有广阔的应用前景。目前的智能可穿戴设备通常需要三个关键要素，包括传感单元、信号处理电路和电源，导致系统配置复杂、体积大、功耗高。被动式、自供电传感器（压电式、摩擦电式等）可以在外界刺激下自发产生电信号输出，有效降低系统功耗。然而，传感单元产生的能量不足以驱动电路工作，整个系统仍需要额外的电源供电，系统配置复杂、体积大的问题依然无法解决。因此，构建一种一体化的设备模式既可以实现连续的自供电传感，同时实现稳定的能量供给，对于构建高度紧凑和低功耗的智能可穿戴设备具有重要意义，但目前很少有人对其探索和论证。
二、文章简介
近日，四川大学机械工程学院的王竹卿教授和吴晓东研究员提出了一种一体化的器件模式，通过在结构和功能上整体融合固态电源单元和被动式传感单元（图1c），同时机械感知和能量供给功能（MPS）。电源模块具有稳定的电极/电解质界面，为整个系统提供持续的能量供给。在电源模块的基础上引入机械调节电解质界面和惰性传感电极，构建被动式机械传感模块，可以将外部机械压力编码为活性的锌电极和惰性的碳电极之间的电位差输出。值得注意的是，传感模块和电源模块可以独立工作。MPS器件可以感知外界机械刺激，同时持续为外部电路供电，实现传感信号的采集、处理和传输。因此，通过将MPS器件和信号处理电路连接，即可构建全自供电和高集成度的智能传感系统，用于多种生理信号的实时监测、原位分析与诊断。研究相关成果以“Synergistic fusion of mechanotransduction and power supplying functions towards highly compact and fully self-powered smart wearables”为题，发表在国际知名期刊《Nano energy》上（1区Top期刊，影响因子16.8），四川大学机械工程学院王竹卿教授和吴晓东研究院为共同通讯作者，2022级博士研究生宋洋洋同学为第一作者。
三、研究内容
图1. 基于MPS器件的高集成度、全自供电智能传感系统的设计理念。(a) 传统智能系统的概要图，包括传感单元、信号处理电路和电源三部分，导致系统配置复杂、体积大、功耗高。(b) MPS系统的概要图，仅由MPS器件和信号处理电路两部分组成，具有更高的集成度和能量效率。(c) MPS器件的结构和工作原理示意图。MPS器件包括一个可充电电池结构和与电池相关联的被动式传感结构。(d) 电池结构和传感结构在外界压力刺激下的信号输出，证明两部分独立工作互不影响。(e)自供电和高度紧凑的智能传感系统仅由一个MPS设备连接到一个电路板组成。框图显示了系统的工作原理，包括供电、信号采集、处理和无线数据传输到便携式用户界面。(f) 可穿戴MPS系统在生命体征监测和现场呼吸暂停分析预警中的应用。
图2. MPS器件的结构布局和工作机理。(a-b) MPS器件的三维爆炸图和截面SEM图像。(c) 柔性、可穿戴MPS器件的照片。(d) 能量供给单元的工作原理。(e) 能量供给单元的长期、重复性充放电曲线。(f) 能量供给单元驱动电路板检测传感器信号输出，并实时传输到便携式用户界面示意图。(g) 机械传感原理图和等效电路图。(h) 机械传感单元的电位差输出与内部阻抗的相关性分析。(i) 逐渐施加压力时机械传感单元的电位差变化，表现出连续平稳的响应行为。
图3. MPS器件的压力传感性能。(a) 不同成分电解质-Ⅱ的MPS器件响应行为。 (b) MPS器件对多次重复机械压力的响应。 (c) MPS器件的响应和恢复时间。(d) MPS器件在加载和移出98 Pa压力式的电位差输出变化。(e-f) MPS器件对持续、静态压力和动态压力的响应信号，证明了器件同时具有动静态压力检测能力。(g) 10000次加载-卸载过程中，传感单元的信号输出。(h) 传感单元长时间运行过程中信号衰减和对能量供给单元充电处理后信号恢复特性。(i) 传感单元信号衰减和恢复的原理。(j) 多次短路传感单元加速能量衰减和充电能量供给单元后的信号恢复能力，证实了MPS器件的耐久性。
图4. 能量供给单元的电化学性能。(a-b) 能量供给单元的EIS和CV曲线。(c) 基于CV曲线的log(i)和log(v)的线性拟合。(d) 不同V2O5涂覆密度的电池容量。(e) 200充放电过程中能量供给单元的容量和库伦效率变化。(f-g) 能量供给单元的倍率性能。(h) 三个能量供给单元串联的照片。(i) 能量供给单元在初始状态、压缩和弯曲过程中驱动LED，证实了MPS期间良好的柔性和稳定性。
图5. 全自供电和高集成MPS系统的设计和应用。(a-b) MPS系统的示意图和照片。(c-d)对比系统和MPS系统的示意图和简化电路图。(e) 对比系统和MPS系统的功耗对比，包括传感单元、电路和整个传感系统。(f) 基于MPS系统和2D-CNN模型实现喉部震动识别。(g) 基于t-SNE降维方法的喉部振动分类与识别。(h) 基于2D-CNN框架的不同喉部振动预测精度的混淆矩阵。
图6. 全自供电和独立MPS系统用于无线呼吸检测和自动呼吸骤停预警。(a) 集成在胸部的呼吸检测系统。(b)呼吸检测系统的示意图和简化电路图。(c) 呼吸检测系统的模式-Ⅰ，实时监测信号信号变化并无线传感到便携式用户界面。(d) 不同呼吸模式下的信号输出。(e) 呼吸检测系统的模式-Ⅱ，通过嵌入呼吸分析程序的MCU原位分析呼吸变化，用于呼吸骤停的识别和预警。(f-g) 呼吸骤停原位分析和预警的应用展示
四、结论与展望
本工作提出了一种新型的一体式、多功能MPS器件模式，可以同时实现能量供给和机械传感功能。MPS器件可以实时监测外部机械刺激，同时驱动外部电路监测传感信号输出并无线传输到便携式用户界面。基于MPS器件可以构建高集成度、结构紧凑、低功耗智能传感系统，用于多种生理信号的实时监测和原位分析。这种全新的设计理念和单片集成器件模式将为构建下一代可穿戴智能系统提供了新的思路。
文献链接：DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110524