北京發(fā)電機價隨著人們對健康監(jiān)測、健康評估和疾病預(yù)警的需求不斷增加，個性化的生理信號監(jiān)測引起了研究者的極大興趣。呼吸作為人體健康監(jiān)測的生命體征之一，包含大量有關(guān)個體健康和潛在疾病的生理信息。對呼吸進行實時監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的疾病風(fēng)險，甚至挽救生命。然而，目前大多數(shù)呼吸監(jiān)測方法存在設(shè)備笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用不舒適、電源外置等問題，不適合隨身攜帶和實時監(jiān)測。因此，開發(fā)自供電、可穿戴的實時呼吸監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的意義。

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究北京發(fā)電機價所王中林院士、董凱副研究員等人開發(fā)了一種自供電螺旋纖維應(yīng)變傳感器（HFSS），它可以響應(yīng)小于1%的微小拉伸應(yīng)變。作者基于該應(yīng)變傳感器開發(fā)了一種自供電智能穿戴式實時呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，可以測量一些關(guān)鍵的呼吸參數(shù)，用于疾病預(yù)防和醫(yī)療診斷。該智能報警器可根據(jù)人體呼吸行為的變化自動呼叫預(yù)設(shè)的手機求助。這項工作為制造基于摩擦納米發(fā)電機的高靈敏度應(yīng)變傳感器提供了一種有效的螺旋結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了可穿戴的自供電實時呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，在個人呼吸健康監(jiān)測和智能可穿北京發(fā)電機價戴北京發(fā)電機價醫(yī)療電子設(shè)備方面顯示出巨大潛力。該研究以題為“Helical Fiber Strain Sensors Based on Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Human Respiratory Monitoring”的論文發(fā)表在《ACS nano》上。

【傳感器的設(shè)計與制備】

作者選擇商用鍍銀尼龍纖維作為電極，選擇聚四氟乙烯纖維（PTFE）和尼龍纖維作為摩擦電材料。作者通過包覆核殼纖維法將PTFE纏繞的鍍銀尼龍纖維（PTFE/Ag 編織纖維）和尼龍纏繞的鍍銀尼龍纖維（尼龍/Ag 編織纖維）交替纏繞在可拉伸的基材纖維上。PTFE纖維或尼龍纖維用作外殼纖維，鍍銀纖維用作芯纖維。殼纖維纏繞在芯纖維周圍，并在收緊套筒中相互交織，最后通過多軸纖維纏繞機制造芯殼纖維。兩個摩擦電層（PTFE 和尼龍）北京發(fā)電機價的接觸分離可以通過 傳感器的拉伸釋放運動來實現(xiàn)。在拉伸過程中，螺旋結(jié)構(gòu)沿縱向伸長，相鄰的尼龍和PTFE發(fā)生分離，直至達(dá)到最大拉伸應(yīng)變。

圖1傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造過程

【傳感器的傳感機制與電輸出】

傳感器的工作原理是基于兩種摩擦電材料（PTFE和尼龍）的耦合接觸帶電和靜電感應(yīng)。由于PTFE和尼龍的相反摩擦電極性，它們的表面上將感應(yīng)出等效的正負(fù)摩擦電荷。一旦傳感器被外力拉伸，接觸面開始分離，將在兩個表面上建立電勢差，從而驅(qū)動自由電子。作者研究了拉伸應(yīng)變對傳感器北京發(fā)電機價電輸出的影響。在1 Hz的固定拉伸頻率下測量長度為10 cm的傳感器。結(jié)果表明，開路電壓 (VOC)、短路電流 (ISC) 和短路電荷轉(zhuǎn)移 (QSC) 隨著拉伸應(yīng)變 (1-80%) 的增加而增加，這是由于在更大的拉伸應(yīng)變下，兩根編織纖維之間的接觸和分離更充分。在拉伸應(yīng)變?yōu)?1% 的情況下，該傳感器仍然可以有0.5 V的穩(wěn)定電輸出，這表明該傳感器對應(yīng)變的高敏感性。

圖2 傳感器的工作原理和不同拉伸應(yīng)變下的電輸出

【自供電傳感器的應(yīng)用價值】

作者將自供電應(yīng)變傳感器集成到胸帶中，并將其固定在胸腔下方以監(jiān)測人體呼吸。隨著胸腔的擴張或收縮，北京發(fā)電機價傳感器可以隨之有規(guī)律地伸展和收縮。通過對這些電信號的計算和處理，可以得到人體呼吸頻率、用力肺活量（FVC）、一秒用力呼氣量（FEV1）、呼氣峰流量（PEF）等指標(biāo)。此外，作者還開發(fā)了智能穿戴式實時呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含智能肺量計和自供電智能報警器。智能肺活量計可以量化每次呼氣的氣流量并初步診斷呼吸系統(tǒng)疾病。智能報警器可在受試者停止呼吸6秒以上時自動撥打預(yù)設(shè)手機求救。該系統(tǒng)有助于評估呼吸狀況，檢測潛在的疾病風(fēng)險，甚至挽救生命，在個人呼吸健康監(jiān)測和智能可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備方面顯示出巨大潛力。

圖3傳感器測量呼吸信號

圖4呼吸監(jiān)測應(yīng)用示范

總結(jié)：作者通過在可拉伸基底纖維上引入螺旋結(jié)構(gòu)，提出了一種可穿戴自供電應(yīng)變傳感器。得益于這種結(jié)構(gòu)，該傳感器對應(yīng)變表現(xiàn)出很高的敏感性，即使在1%的拉伸應(yīng)變下也能輸出0.5 V，可以感知由心跳和呼吸引起的胸腔、腹部的收縮與松弛?；谠搨鞲衅?，作者開發(fā)了一種可穿戴的自供電實時呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，用于診斷潛在的呼吸系統(tǒng)疾病。該自供電智能報警器可以區(qū)分不同的呼吸模式，并在患者停止呼吸超過6秒時撥打預(yù)設(shè)手機求救，在個人呼吸健康監(jiān)測和智能可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備方面顯示出巨大潛力。

來源：高分子科學(xué)前沿

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