當(dāng)前，可穿戴和可植入設(shè)備用于多種功能，包括健康跟蹤和監(jiān)視。但是，由于充電，提供能量通常需要笨重的電池和停機(jī)時(shí)間。現(xiàn)在，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)建議，材料和電子設(shè)計(jì)的進(jìn)步可能將生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為可穿戴和植入但不需要持續(xù)充電的設(shè)備鋪平道路。工程科學(xué)與力學(xué)系的Quiggle職業(yè)發(fā)展教授，計(jì)算和數(shù)據(jù)科學(xué)研究所的附屬機(jī)構(gòu)。

“在本次特別綜述中，我們正在尋找可能的能源供應(yīng)，而無(wú)需電池和其他組件，因此，特別需要?jiǎng)?chuàng)建用于自供電設(shè)備或也可以用于給電池充電的能量收集器”，鄭說(shuō)。

Cheng說(shuō)，研究小組從兩個(gè)角度審查了該領(lǐng)域：創(chuàng)建可以收集能量的設(shè)備，以及開(kāi)發(fā)可以自我供電的傳感器。他說(shuō)，能量收集器可以產(chǎn)生能量來(lái)為其他設(shè)備供電，而自供電傳感器可以提供自己的能量來(lái)充當(dāng)獨(dú)立設(shè)備。程補(bǔ)充說(shuō)，在某些情況下，為傳感器產(chǎn)生能量的運(yùn)動(dòng)也可能是傳感器試圖收集的數(shù)據(jù)。

“它可以直接用作傳感器，因?yàn)樗�可以收集能量，因此它可以提供監(jiān)視運(yùn)動(dòng)的能力（例如心跳）或傳感器所應(yīng)用的任何東西，然后可以從環(huán)境中傳輸該信息，或者從身體上進(jìn)行分析，”程說(shuō)。

研究人員說(shuō)，這些傳感器可能導(dǎo)致更精確的醫(yī)療保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)會(huì)，他們?cè)诋?dāng)前在線的《生物傳感器和生物電子學(xué)》的一篇評(píng)論文章中報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

研究人員說(shuō)，可伸展的壓電材料是可以積累電荷的固體物質(zhì)，對(duì)這種發(fā)展至關(guān)重要。由于人體組織柔軟并且不斷變化的形狀，因此材料需要能夠隨著這些組織的彎曲和移動(dòng)而彎曲和伸展。

“這些設(shè)備可能包括皮膚表面的可穿戴設(shè)備，” Cheng說(shuō)�！皩�(duì)于這些類(lèi)型的設(shè)備，我們可以從皮膚表面捕獲信息，包括血流，心跳，呼吸頻率以及產(chǎn)生振動(dòng)的類(lèi)似運(yùn)動(dòng)�！�

使用新材料，運(yùn)動(dòng)肌肉的彎曲運(yùn)動(dòng)通常會(huì)阻礙經(jīng)常使用的剛性可穿戴設(shè)備，實(shí)際上可以幫助產(chǎn)生能量，這些能量隨后將被這些生物傳感器捕獲并用作動(dòng)力。

然而，據(jù)研究人員稱(chēng)，生物傳感器可能不僅會(huì)降級(jí)到皮膚表面，而且有一天可能會(huì)植入體內(nèi)。Cheng表示，近十年來(lái)材料設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的進(jìn)步已幫助研究人員開(kāi)發(fā)出足夠柔軟，堅(jiān)固耐用的壓電材料，使其能夠承受人體內(nèi)部環(huán)境，但又如此靈敏和高效，以至于它們可以捕捉和轉(zhuǎn)換非常細(xì)微的東西。運(yùn)動(dòng)，例如心跳和呼吸。

程說(shuō)：“這對(duì)于這些設(shè)備來(lái)說(shuō)是令人驚訝的事情，人們認(rèn)為這些運(yùn)動(dòng)類(lèi)型非常小，并且不考慮收集這種能量�！� “是在過(guò)去的一兩個(gè)十年中，人們開(kāi)始看到有可能通過(guò)高效電路從這些運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生相當(dāng)大的信號(hào)，并且還使用了高效整流電路，如果它會(huì)消耗大量的能量，設(shè)計(jì)不正確�！�

該團(tuán)隊(duì)還著眼于創(chuàng)建可以執(zhí)行雙重任務(wù)的傳感器-它們可以從其設(shè)計(jì)要監(jiān)控的身體過(guò)程中收集能量。例如，傳感器可以從心跳中獲取能量，還可以將心臟信息傳遞給正在監(jiān)視患者心血管狀況的醫(yī)生。

由于需要計(jì)算資源來(lái)創(chuàng)建用于實(shí)現(xiàn)這些高性能設(shè)備的準(zhǔn)確模型，因此，Cheng期望將來(lái)的工作需要先進(jìn)的計(jì)算系統(tǒng)，例如ICDS-ACI提供的系統(tǒng)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程技術(shù)工程副教授廖亞斌補(bǔ)充說(shuō)，分析過(guò)去設(shè)計(jì)可伸縮能量收集器和自供電傳感器的方法可以幫助研究人員應(yīng)對(duì)當(dāng)前的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

“精確的模型為系統(tǒng)行為的分析和數(shù)值分析提供了有用的平臺(tái)，并允許對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化�！� “我們總結(jié)了柔性壓電傳感器和能量收集器的工作原理和代表性模型，并討論了它們與常規(guī)設(shè)備相比的獨(dú)特特性。我們還提供了有關(guān)這些模型與常規(guī)模型之間聯(lián)系的重要觀點(diǎn)，從而使他們對(duì)它們的行為有了更深入的了解在系統(tǒng)級(jí)別�！�