一種自供能柔性可穿戴生物感測裝置

科學家們已經開發出一種人性化、超柔韌的有機感測器，該感測器由陽光碟機動，也可作為自供能心臟監護儀。在此之前，他們開發了一種可以整合到紡織品中的柔性光伏電池。

在這項研究中（Nature，「Self-powered ultra-flexible electronics via nanograting- patterned organic photovoltaics」），他們直接將一種稱為有機電化學晶體管的感測裝置 - 一種可用於測量各種生物功能的電子器件 - 集成到柔性有機太陽能電池上。 通過使用它，他們就能夠在明亮的光線條件下測量大鼠和人類的心跳。

圖示為自供能裝置貼附在手指上。（圖片來源：日本理化研究所）

這種可以直接安裝在人體皮膚或組織上的自供能裝置具有很大的醫療應用潛力。它們可以用作生物感測器，用於實時監測人體內的心臟或腦功能。然而，由於電池的龐大和供電不足，或者由於供電電源的雜訊干擾，阻礙了一致性和長期運行，因此很難實際上實現。

這種裝置的關鍵要求是穩定和充足的能源供應。在Nature上發表的這項研究的一個關鍵進展是在太陽能電池的光吸收器上使用納米光柵表面，具有高光轉換效率（PCE）和光角獨立。

由於這一點，研究人員能夠實現10.5％的光轉換效率和每克11.46瓦的高功率重量比，接近15％，這將使有機光伏電池與硅基電池相比有競爭力。在重複壓縮測試（900次循環）下，他們證明，光轉換效率降低僅25％（從9.82％降至7.33％），與60度光角下的非光柵器件相比，光轉換效率增益高出45％。

為了演示實際應用，稱為有機電化學晶體管的感測裝置與超薄（1 mm）基板上的有機太陽能電池集成，這樣就可以在皮膚上自動檢測心跳或直接在老鼠的心臟上記錄心電圖（ECG）信號。

他們發現該裝置在10,000勒克斯的照明水平下運行良好，這相當於在陽光明媚的晴天在陰涼處看到的光，並且比連接電池的類似裝置的噪音更小，這可能是因為沒有電線的緣故。

根據日本理化研究所緊急物質科學中心的Kenjiro Fukuda的說法，「這對可以放置在人體組織上的自供能醫療監測設備來說是一個很好的進步。還剩餘一些重要的任務，例如開發柔性電力存儲設備，我們將繼續與其他團隊合作生產實用的設備。

重要的是，對於當前的實驗，我們研究了器件的模擬部分，它為器件供能並進行測量。還有一個用於傳輸數據的數字硅基部分，在該領域的進一步工作也將有助於使這些器件變得實用。」

該研究由日本理化研究所與東京大學的研究人員合作完成的。

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