加州理工学院的新型健康追踪器仅依靠汗水和阳光就能运行

加州理工学院开发的太阳能可穿戴式汗液传感器使用钙钛矿太阳能电池作为能源，可以在室内条件下持续监测健康状况。

这些传感器可以跟踪多种生物标志物，为经济有效地管理各种健康状况提供了一种非侵入性工具。

可穿戴式汗液传感器

汗液和血液一样，包含有价值的健康信息，但收集汗液的侵入性要小得多。这一概念推动了可穿戴式汗液传感器的发展，该传感器是由加州理工学院医学工程助理教授、传统医学研究所研究员、罗纳德和乔安妮·威伦斯学者高伟（音译）发明的。

在过去的五年里，高教授对这些可穿戴设备进行了改进，使其能够检测各种健康指标，包括盐、糖、尿酸、氨基酸、维生素，甚至是像c反应蛋白这样的复杂分子，这些分子预示着某些健康风险。在他与奥地利林茨约翰内斯·开普勒大学的马丁·卡尔滕布龙纳团队合作开发的最新创新中，高教授为这些传感器配备了柔性太阳能电池，以实现连续、无电池运行。

太阳能可穿戴技术的进展

高教授的实验室使用的太阳能电池是由钙钛矿晶体制成的，这种材料具有最初在矿物钙钛氧化物中发现的化学结构。钙钛矿吸引太阳能电池开发商的注意有几个原因：首先，它比硅（自20世纪50年代以来用于太阳能电池的主要材料）制造成本更低，硅必须经过多种工艺高度纯化。其次，钙钛矿比硅太阳能电池层薄1000倍，用高的话说就是“准二维”。第三，钙钛矿可以调谐到不同照明的光谱，从室外的阳光到各种形式的室内照明。最后，也是最吸引太阳能先驱的是，钙钛矿太阳能电池实现了比硅更高的功率转换效率（PCE），这意味着它们可以将接收到的更大比例的光转换成可用的电。

钙钛矿太阳能电池效率的提高

硅太阳能电池的PCE已经达到了26 - 27%的水平，尽管在常规使用中，这个范围徘徊在18 - 22%之间。相比之下，高教授的可穿戴式汗液传感器上的柔性钙钛矿太阳能电池（FPSC）在室内光照下的PCE超过了31%，创下了纪录。“我们不想只使用强烈的阳光来驱动我们的可穿戴设备，”高教授解释说。“我们更关心现实生活中的条件，包括正常的办公室和家庭照明。许多太阳能电池在强烈的阳光下效率很高，但在室内光线较弱的情况下就不行了。”汗液传感器上的FPSC特别适合室内照明，高教授说，因为“FPSC的光谱响应与常见的室内照明发射光谱非常匹配。”

可穿戴设备向太阳能的过渡

高教授的可穿戴式汗液传感器的前几代都是由体积庞大的锂离子电池供电，而且必须通过外部电源充电。为了寻找一种更轻、更可再生的电力来源来为这些高需求的设备供电，高教授的实验室尝试使用硅太阳能电池，他们发现硅太阳能电池过于坚硬、效率低下，并且依赖于强光条件。他们还尝试从人体汗液中的化学物质（一种现成的生物燃料）和身体运动中获取能量，但发现这些方法太不稳定，或者需要穿戴者付出太大的努力。

使用新传感器进行连续运行状况监控

利用FPSC， 高教授可以制造出可以每天佩戴12小时的汗液传感器，提供连续监测pH值、盐、葡萄糖和温度，并定期监测（每5到10分钟）汗液率。所有这些都是在没有电池或专门的光源的情况下完成的。此外，由于电源变得更轻、更不笨重，可穿戴设备有空间安装额外的探测器，以同时监测更多的生物标志物。

最新可穿戴传感器的设计和功能

这款新的可穿戴式汗液传感器和之前的产品一样，采用折纸的方式组装，每一层都有不同的工艺。传感器有四个主要的相互作用的部件。第一个系统致力于电力管理 —— 分配太阳能电池收集的电力。第二种是离子导入，即不需要任何运动或暴露在高温下就能诱导出汗。在高教授的研究中，每三小时进行一次离子电泳，以确保有足够的汗液来连续监测所观察的生物标志物。第三种可以对汗液中的各种物质进行电化学测量。第四个管理数据处理和无线通信，这使得传感器可以与手机应用程序连接，以显示传感器监测的持续结果。

太阳能汗液传感器的经济和临床潜力

完全组装后，传感器的尺寸为20 x 27 x 4毫米，它可以处理与身体磨损相关的机械应力。“汗液传感器的大部分元件，如电子元件和FPSC，都是可重复使用的，”高教授补充道。“唯一的例外是传感器贴片，它是一次性的，可以使用喷墨打印以低成本批量生产。”这些传感器贴片也可以根据用户希望在体内测量的物质进行定制。

对健康监测的更广泛影响

随着这些太阳能汗液传感器投入使用，它们能够测量的数据将远远超过目前任何健身或健康追踪器。例如，它们可用于糖尿病管理（研究表明，汗液中的葡萄糖与血液中的葡萄糖密切匹配），并可用于检测一系列疾病，如心脏病、囊性纤维化和痛风。由于它们是非侵入性的，可以在短时间内进行多次测量，这些传感器可以识别个体物质的基线，如皮质醇、激素或各种营养物质和药物的代谢物。一旦这些物质的基线水平已知，未来与这些水平的偏差将提供比单次抽血更有效的诊断手段。由于这些传感器相对便宜，人们希望它们能成为全球范围内的一种出色的诊断工具，包括在发展中国家。

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