电院王侃团队在Journal of Nanobiotechnology发表可穿戴传感器供能方案相关综述

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院王侃副研究员团队的综述论文“Ambient energy harvesters in wearable electronics: fundamentals, methodologies, and applications”（可穿戴电子设备中的环境能量采集器：基础、方法和应用）在纳米生物技术领域知名期刊《Journal of Nanobiotechnology》上发表。该论文重点讨论了目前主流的可穿戴式传感器供电技术及其能量转换机制、基本特性和在各个领域的典型应用案例等，以期为相关领域的研究人员带去一些有价值的参考。

环境中的各种能量源以及可穿戴传感器的供能技术

研究背景

可穿戴传感器设备具有优异的便携性和持续实时监测生理信号的能力，在疾病诊断和健康管理领域发挥着重要的作用。随着这项技术的不断发展，可穿戴设备在追求功能多样和性能优越的同时，对舒适性和人性化设计的需求日益迫切，因此其电源模块需要在功率密度和能量输出等方面进行细致的设计和优化，生物相容性、体积、重量等也是必须考虑的关键因素。同时，纳米材料和相关技术在解决柔性可穿戴传感器的供电问题上尤为重要：纳米材料的特殊电学性质有利于高性能的能量收集和存储，高比表面积和电化学活性促进了材料界面的能量转换，因此近年来在传感系统的电源模块中得到了广泛的应用。

主要内容

论文全面回顾了当前可穿戴传感器的主流能源技术，包括锂电池、超级电容器、太阳能技术、生物燃料电池、热电发电机、射频能量采集器、动能采集器（电磁感应、压电、摩擦电），以及集成多种能量转换模式的混合动力系统。详细介绍了这些供能方式的能量转换机制、典型特征和在各个领域的最新应用进展。这些技术不仅推动了可穿戴设备向更轻、更薄、更持久的方向发展，还极大地拓宽了其在医疗诊断、运动健身、环境监测等多领域的应用。同时，该论文特别关注到新型材料在可穿戴传感器的供电系统中发挥的关键作用，如纳米材料和纳米加工技术在提升能量转换效率、减小设备体积、增强设备柔韧性等方面具有突出的优势，为可穿戴传感器能源技术的未来发展开辟了新路径。

几种动能采集器的工作机理：（a）电磁能量采集器（b）压电纳米发电机（c）摩擦电纳米发电机

总结展望

论文结尾对各种供电技术的性能进行了对比，并总结了各自的典型特点和适用场景，例如：射频能量采集器及近场通信技术不受温度和光线等环境因素的影响，但传输距离和参数匹配是设计中需要考虑的重要因素；动能采集器擅长从人体运动中捕获能量，使其在步态分析、手势控制等运动监测应用具有独特的优势。论文还指出了当前可穿戴传感器的能源供应技术面临的挑战，如复杂的身体活动带来的性能下降、纳米材料的合成加工以及生产成本等问题。最后，分析了该领域的发展趋势：在保证输出性能的同时逐渐小型化、柔性化，还关注到安全无毒、环境友好和智能电源管理策略等方面。供电模块是可穿戴传感器设计中重要的一环，随着系统设计的不断突破和能源技术的日益成熟，可穿戴式传感器将有更广阔的发展前景，为人们的健康生活带来更多便利。

各种供能方式的多维性能比较

论文信息

上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院硕士生俞若瑶和第九人民医院冯少清副主任医师为论文的共同第一作者，王侃副研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研究发展计划（2023YFF0724300）和国家自然科学基金（32171373）等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1186/s12951-024-02774-0

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来源｜感知科学与工程学院

文稿 | 王侃 俞若瑶

编辑｜万凤箫

责任编辑｜王敏