多模態(tài)傳感器、能量收集和存儲(chǔ)模塊的集成促進(jìn)了智能可穿戴電子產(chǎn)品的進(jìn)步。然而，現(xiàn)有的模塊化構(gòu)建策略集成度較低，導(dǎo)致設(shè)備笨重，可能會(huì)影響信號(hào)采集的穩(wěn)定性和可靠性。在這里，四川大學(xué)趙江琦、香港城市大學(xué)葉汝全、于欣格及譚超良團(tuán)隊(duì)提出了一種一體化設(shè)計(jì)策略，將三個(gè)模塊集成到通過(guò)激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)制備的單個(gè)聚合物基板中，以構(gòu)建完全集成的自供電多模態(tài)傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)由生物能量采集模塊（乳酸生物燃料電池）、柔性儲(chǔ)能模塊（Zn/MnO2電池）和多功能傳感模塊（葡萄糖、抗壞血酸、心電圖和肌電圖）組成。作為概念驗(yàn)證應(yīng)用，該自供電系統(tǒng)被證明可以佩戴在人體的各個(gè)部位，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)健康狀況。

圖 1. 用于多模式傳感的全激光誘導(dǎo)集成自供電系統(tǒng)。身體上的可穿戴設(shè)備（a）和整個(gè)系統(tǒng)（b）的示意圖，包括兩個(gè)用于葡萄糖和抗壞血酸的汗液傳感器、用于心電圖和肌電圖的EP傳感器、柔性Zn/MnO2電池和乳酸BFC。 (c)系統(tǒng)功能工作原理圖。 (d) LIG 系統(tǒng)電極的圖像。比例尺：2 厘米。 (e) 設(shè)計(jì)的 PCB 圖像。比例尺：1 厘米。 (f) 受試者前臂上的自供電系統(tǒng)的圖像。比例尺：5 厘米。 (g) 自供電傳感系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)框圖。 (h) 相關(guān)應(yīng)用程序“BioMoni”的電話顯示。

圖 2. 電極材料的表征。(a) PI 基底上激光誘導(dǎo)石墨烯的示意圖。 (b) LIG1、(c) LIG2 和 (d) LIG3 的 SEM 圖像。比例尺：2 μm。 (e) LIG 的拉曼光譜。 X 射線光電子能譜 (XPS) (f) LIG 的測(cè)量光譜和 (g) N 1s 光譜。 (h) N2 吸附/解吸等溫線和 LIG 的比表面積（插圖）。 (i) LIG 和 Con 的電阻（在 PI 上絲網(wǎng)印刷 C/PVDF），3 mm × 10 mm。 (j) LIG 和 Con 的接觸角

圖3.電化學(xué)傳感器和物理傳感器的實(shí)驗(yàn)性能評(píng)估。(a)葡萄糖傳感器、(b)AA傳感器和(c)EP傳感器的結(jié)構(gòu)和示意圖。 (d) 使用不同電極材料的葡萄糖傳感器和AA傳感器的靈敏度對(duì)比。 (e) 葡萄糖傳感器的電流響應(yīng)和 (f) 選擇性測(cè)試。 (g) 電流分析響應(yīng)，(h) 線性擬合，以及 (i) AA 傳感器的選擇性測(cè)試。 (j) 使用商用 Ag/AgCl 電極和 LIG 電極從胸部測(cè)量的心電圖信號(hào)。 (k) 使用商用 Ag/AgCl 電極和 LIG 電極從前臂測(cè)量的 EMG 信號(hào)。 (l) LIG 和 Ag/AgCl 電極記錄的 EP 信號(hào)的 SNR。

圖 4. 基于 LIG 電極的 Zn/MnO2 電池的電化學(xué)性能。(a) Zn/MnO2電池的結(jié)構(gòu)和示意圖。 (b) 不同電流密度下不同陽(yáng)極的成核過(guò)電勢(shì)。 (c) 不同容量下在 LIG2 基體上鍍 Zn 的 SEM 圖像。比例尺：10 μm。 (d) Zn/MnO2 電池在 1 至 10 C 的不同電流密度下的倍率性能。（1 C 的值相當(dāng)于 308 mA g–1）。 （e）放電過(guò)程中MnO2@LIG1陰極的恒電流間歇滴定（GITT）曲線和相應(yīng)的離子擴(kuò)散系數(shù)。 (f) LIG1@MnO2 陰極在不同掃描速率下的CV曲線。 (g) 氧化還原峰處電流響應(yīng)的相應(yīng) lg (i)–lg (v) 圖。 (h)不同質(zhì)量負(fù)載的Zn/MnO2電池的重量容量和面積容量。 (i) 不同彎曲狀態(tài)下的循環(huán)性能和(j) 不同彎曲循環(huán)后的性能。

圖 5. BFC 性能表征。(a) 使用 LDH/NAD 的乳酸 BFC 的結(jié)構(gòu)和示意圖。 (b) 使用 LDH/NAD 作為生物陽(yáng)極的 BFC 的電流響應(yīng)。 (c) 使用不同電極材料的 BFC 的靈敏度對(duì)比。 (d) BFC 的選擇性。 BFC 的 (e) 彎曲和 (f) 120° 扭曲測(cè)試。 (g) BFC 的 OCV 圖。 (h) 在 PBS 中的 0-40 mM 乳酸中記錄的 BFC 的功率密度曲線。 (i) 四名健康志愿者汗液樣本中 BFC 的功率密度曲線。 (j) BFC-單節(jié) Zn-MnO2 電池的電壓-時(shí)間曲線（第一個(gè)循環(huán)期間：電池使用工作站以 0.5 mA 充電；第二個(gè)循環(huán)期間：使用 BFC 充電。兩個(gè)循環(huán)中的電池均使用工作站以 1 mA 放電）。 (k) 與 PCB 結(jié)合的集成系統(tǒng)中電池的 GCD 曲線。電池在每個(gè)循環(huán)中都由 BFC 在汗液中充電，并在不同條件下通過(guò)系統(tǒng)放電。

圖 6. 針對(duì)個(gè)性化監(jiān)測(cè)的傳感系統(tǒng)的在體評(píng)估。(a) 監(jiān)測(cè)到的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體心電圖曲線和(b) 設(shè)備在身體上的位置的光學(xué)圖像。 （c）不同人體肢體狀態(tài)的光學(xué)圖像，包括抓握和跳躍。 (d) 前臂和小腿肌肉的肌電圖曲線。 (e) 葡萄糖和 (f) 使用插值法驗(yàn)證 AA 濃度。 (g) 四名志愿者進(jìn)餐前和進(jìn)餐后 2 小時(shí)的出汗葡萄糖水平。 (h) 四名志愿者在攝入 1000 毫克 AA 之前和之后 2 小時(shí)的汗液 AA 水平。 (i) 使用志愿者上臂上的集成設(shè)備進(jìn)行多重葡萄糖和 AA 監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)曲線。 (j) 志愿者在騎自行車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)佩戴集成設(shè)備的光學(xué)圖像。 參考文獻(xiàn)：

An All-in-One-Integrated Self-Powered Wearable Sensing System for Multimodal Health Monitoring

Jiahui Liang, Xinze Cai, Libei Huang, Le Cheng, Feipeng Tan, Jiazhen Qiu, Yongming Zhang, Weibin Yan, Wenkuo Lin, Guangming Zhong, Ruquan Ye, Jiangqi Zhao, Xinge Yu, and Chaoliang Tan

ACS Nano202620(12), 9699-9710

DOI: 10.1021/acsnano.5c17767

審核編輯 黃宇