無論是人們耳熟能詳的電話手錶、智能手環，還是廣泛用於臨床的人工心臟起搏器、電子皮膚，近年來，可穿戴和植入式電子器件越來越走進人們的生活。傳感器作為電子器件與周圍環境和用戶之間的橋樑，是可穿戴和植入式電子器件的核心部件，決定著電子器件眾多功能的實現。
近日，李舟等研究人員在《Research》上的綜述“Nanogenerator-Based Self-Powered Sensors for Wearable and Implantable Electronics”一文對基於納米發電機的自驅動傳感器及其在可穿戴和植入式電子器件領域中的應用進行了詳細論述。
目前大多數傳感器仍需要電池等外部電源供電。大體積與高重量的電池降低了傳感器在實際使用過程中的便攜性。為了解決這一問題，人們發明了各種各樣無需電池供電的自驅動傳感器。
這些基於納米發電機的自驅動傳感器可以將環境中任何形式的能量直接轉換為電能並將電信號與各種監測信息建立對應關係。自驅動傳感器具有環保、輕便、成本低、壽命長等特點，在近幾年受到了科研工作者的廣泛關注。
自驅動傳感器的能量來源及可感知的生理信號
靈敏度、響應時間、便攜性等是研究的焦點
隨著移動互聯網和智能終端的快速發展，智能傳感技術在人機交互、人工智能和可穿戴、植入式設備等領域內的需求越來越多。器件的靈敏度、響應時間、柔性、便攜性、生物相容性和多功能集成等已經成為傳感器在實際應用中研究的焦點。基於此，我國科研工作者對自驅動傳感器進一步探究與優化，並取得了一系列重要研究成果。
蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）孫旭輝教授研究團隊提出了一種基於褶皺狀可拉伸TENG的自驅動觸覺及人體運動監測傳感器。
自驅動傳感器作為可穿戴電子器件用於觸覺和壓力傳感
該傳感器具有高靈敏度，不僅可以記錄對象的觸摸位置或與傳感器接觸的物體的形狀，還可以記錄簡單的人體運動（如肌肉的起伏）或者判斷關節彎曲的頻率和角度。
廈門大學薛昊副教授研究團隊將開發的微結構框架有機熱釋電器件用作自驅動柔性溫度-壓力傳感器。
自驅動傳感器作為可穿戴電子器件用於溫度和壓力傳感
該傳感器具有較好的溫度靈敏度（小於0.1 K）和壓力靈敏度（超過20 KPa -1）。該器件不僅可以用於機器人和健康監測領域，也可以用於人體呼吸和溫度傳感。
北京納米能源與系統研究所王中林院士和李舟研究員領導的研究團隊與北京市生物醫學工程高精尖中心樊瑜波教授研究團隊聯合研製了一種仿電鰻的柔性可拉伸發電機，並將其用於運動傳感。
自驅動傳感器作為可穿戴電子器件用於運動傳感
器件具有出色的柔韌性、可拉伸性、機械響應性和高輸出性能等優勢，可以同步記錄不同泳姿下的運動信號和水下工作者的運動狀態。因此，該器件不僅可以用於泳姿的矯正和針對性訓練，也可以對水下工作起到預警作用。
東北大學薛欣宇教授課題組基於PANI/PVDF壓電傳感陣列，構建出自驅動呼氣分析傳感器。
自驅動傳感器作為可穿戴電子器件用於物質檢測
該器件可用於對呼氣成分進行實時、便攜、穩定、無源檢測和分析。這一研究提出了新型自驅動呼氣分析傳感器的概念，並進一步推動了自驅動系統的發展。
基於納米發電機的傳感器不僅可以作為可穿戴電子器件用於觸覺傳感、張力傳感、運動傳感、物質檢測等，也可用作植入式電子器件監測血壓、呼吸、脈搏等。
隨著研究的不斷深入，並且根據臨床監測心內壓的實際需求，李舟研究員與其合作者首次研製出能夠實時監測心內壓的自驅動心內壓傳感器。
自驅動傳感器作為植入式電子器件用於監測心內壓
器件具有高輸出和超靈敏度，通過微創手術植入心腔後實現了對心內壓的監測。而且，器件也能實時監測手術中的偶發心律失常事件，如早搏、室顫等。該研究具有向醫療器件發展的重要潛力，為微型植入式自驅動醫療傳感器件的研究提供了新的思路。
此外，北京納米能源與系統研究所、北京市生物醫學工程高精尖創新中心和海軍軍醫大學的科研人員三方合作，研製了共生型心臟起搏器。
自驅動傳感器作為植入式電子器件用於監測心率
該起搏器可將心跳的能量收集起來驅動起搏電路發出脈衝，這些脈衝同時又刺激心臟，使出現異常情況的心臟恢復正常。同時，該起搏器也可以成功感知並糾正竇性心律失常，從而防止病情惡化。該器件實現了起搏器與心臟之間的“共生”狀態，有望在疾病的治療和診斷領域得到應用。
發展過程中仍有一些問題亟待解決
目前自驅動傳感器已經實現了觸覺、壓力、運動、溫度等物理指標和心率、血壓、血流速度等生理指標的實時檢測。然而，在自驅動傳感器的發展過程中仍有一些問題亟待解決。
首先，為了使器件能更好地與人體各部位相匹配或長久穩定地在人體內工作，需要開發新型材料來製備具有輕質、柔性、輸出性能好等特點的自驅動傳感器。而且，植入式電子器件的生物相容性對其在體內穩定且高效的工作至關重要。
其次，液體環境會屏蔽發電機產生的電荷，因此需要採用軟封裝技術來維持發電機的穩定工作。此外，應立即建立對自驅動傳感器的評估系統。評估指標應該包括穩定性、靈敏度、重量、尺寸和實用潛力等。
另外，應該進一步優化發電機的結構以減少封裝或植入後的輸出衰減。最後，傳感器通常可以同時感知不同的信息，所以需要對傳感器信號進行提取和分析，進而提高傳感器的靈敏度及精度。
作為可穿戴和植入式電子器件，自驅動傳感器將會被廣泛應用於生物醫學、微機電系統、機器人技術和智能電子皮膚等諸多領域。植入式自驅動傳感器將在腸道、胃、脾、肝、肺等人體器官的生理信息採集和疾病監測方面發揮作用。用於眼淚、汗液、尿液等物質濃度和組分檢測的可穿戴傳感器對人類的生命健康也至關重要。此外，自驅動傳感器還可以實現可穿戴和植入式電子器件的無線信號傳輸。
作為新興研究領域，自驅動傳感器的發展將會趨向於可持續、柔性、高效、低成本和環境友好型。自驅動傳感器將促進傳感網絡、物聯網、以及智能醫療電子產品的不斷革新。更重要的是，該領域的快速發展將促進材料、能源、化學、自動化、機電一體化和信息科學等多學科的交叉和融合。
李喆（第一作者），中科院北京納米能源與系統研究所、中國科學院大學博士研究生。
李舟（通訊作者），研究員，現任中國生物醫學工程學會青委會副主任委員、中科院北京納米能源與系統研究所課題組長。主要從事植入/穿戴電子醫療器件、自驅動醫療器件、生物傳感器、可降解醫療器件、細胞生物力學的研究。本論文獲國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京市自然科學基金、中組部萬人計劃和中國科學院大學優秀青年教師科研能力提升項目的支持。
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