自供电的生物传感器或将开辟新的途径来进行医疗跟踪治疗

能量收集器可以产生能量来为其他设备供电,而自供电传感器可以提供自己的能量来充当独立设备。在某些情况下,为传感器产生能量的运动也可能是传感器试图收集的数据。它可以直接用作传感器,因为它可以收集能量,因此可以提供监视运动的能力(例如心跳)或传感器所应用的任何东西,然后可以从环境中传输该信息,或者可以从身体进行分析。

  当前,可穿戴和可植入设备用于多种功能,包括健康跟踪和监视。但是,由于充电,提供能量通常需要笨重的电池和停机时间。现在,一个国际研究小组建议,材料和电子设计的进步也许能把生物机械能转换成电能,用于可穿戴和植入,且并不需要不断地充电。

  工程科学与力学系Dorothy Quiggle职业发展教授Larry Cheng表示:“我们正在寻找可能的能源供应,而无需电池和其他组件,因此,特别需要创建用于自供电设备或也可用于给电池充电的能量收集器”。

  能量收集器可以产生能量来为其他设备供电,而自供电传感器可以提供自己的能量来充当独立设备。在某些情况下,为传感器产生能量的运动也可能是传感器试图收集的数据。它可以直接用作传感器,因为它可以收集能量,因此可以提供监视运动的能力(例如心跳)或传感器所应用的任何东西,然后可以从环境中传输该信息,或者可以从身体进行分析。

  这些传感器可能导致更精确的医疗保健和远程医疗机会。

  研究人员说,可伸展的压电材料是可以积累电荷的固体物质,对这种发展至关重要。由于人体组织柔软并且不断变化的形状,因此材料需要能够随着这些组织的弯曲和移动而弯曲和伸展。

  “这些设备可能包括皮肤表面的可穿戴设备 ,对于这些类型的设备,我们可以从皮肤表面捕获信息,包括血流,心跳,呼吸频率以及产生振动的类似运动。” Larry Cheng说。

  使用新材料,运动肌肉的弯曲运动通常会阻碍经常使用的刚性可穿戴设备,实际上可以帮助产生能量,这些能量随后将被这些生物传感器捕获并用作动力。

  然而,据研究人员称,生物传感器可能不仅会降级到皮肤表面,而且有一天可能会植入体内。近十年来材料设计和开发的进步已帮助研究人员开发出足够柔软,坚固耐用的压电材料,使其可以承受人体内部环境,但又如此灵敏,高效,因此可以在很短的时间内捕获并转换运动,例如心跳和呼吸。

  “这些设备令人惊奇的是,人们认为这些类型的运动非常微小,不考虑收集这种能量。在过去的一两个十年中,人们开始看到有可能通过高效电路从这些运动中产生相当大的信号,并使用高效整流电路,如果它会消耗大量能量,设计不正确。” Cheng说。

  研究团队还着眼于创建可以执行双重任务的传感器——他们可以从设计要监控的身体过程中收集能量。例如,传感器可以从心跳中获取能量,还可以将心脏信息传递给正在监视患者心血管状况的医生。

  由于需要计算资源来创建用于实现这些高性能设备的准确模型,因此,Cheng期望将来的工作需要先进的计算系统,例如ICDS-ACI提供的系统。

  宾夕法尼亚州立大学机械工程技术工程副教授廖亚斌补充说,分析过去设计可伸缩能量收集器和自供电传感器的方法可以帮助研究人员应对当前的设计挑战。

  “精确的模型为系统行为的分析和数值分析提供了有用的平台,并允许对系统参数进行设计优化。我们总结了柔性压电传感器和能量收集器的工作原理和代表性模型,并讨论了它们与传统设备相比的独特特性。我们还提供了关于这些模型与常规模型之间联系的重要观点,从而使他们对它们在系统级别的行为有了更深入的了解。” 廖亚斌说。

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