可穿戴自供电呼吸传感器及其智能监测系统研究
这是一篇关于呼吸传感器,可穿戴智能监测系统,摩擦纳米发电机,多呼吸参量分析,自校准的论文, 主要内容为随着物联网技术的发展,传感器作为万物互联中信息感知和数据采集的关键器件,在航空航天、工业电子、智能家居及远程医疗等应用领域发挥至关重要的作用。尤其在人体可穿戴呼吸生理体征监测系统方面,通过智能传感器实时监测人体多项呼吸生理参数,能够实现多种疾病预防、辅助诊断及康复治疗等功能,近年来备受广泛关注。目前,已报道大量基于温差或湿度感知的呼吸信号监测传感器,大幅度提升了器件的检测精度。然而,现有的呼吸传感器仍然存在便携性差、价格昂贵、制备工艺复杂和抗干扰性能差等缺陷。因此,开发可穿戴的低成本智能自供电呼吸传感器在辅助医疗及居家健康监测领域至关重要。为突破上述瓶颈,本论文的主要研究内容如下:(1)提出基于摩擦纳米发电机的颤振型气流检测传感器,在流体力学和接触起电机制的基础上探索其理论模型和输出性能。利用薄膜的颤振特性和文丘里管原理设计优化结构参数,并通过有限元分析软件仿真验证。结果表明器件面积为7 cm2时电流灵敏度达到0.65μA/(m/s),且流速检测下限优化至0.5 m/s,能够检测环境中的微小气流。在此基础上,开发了基于气流检测传感器的低成本实验室安全管理系统,适用于漏气检测、通风设备监测及辅助人员管理等。(2)在气流检测传感器的理论及结构基础上,提出一种自供电柔性呼吸监测传感器及其可穿戴智能疾病诊断系统。首先,采用微纳加工技术改变摩擦层表面形貌,结合气动力学理论优化传感器的结构参数从而提高输出性能。在0～9 m/s的气流速度范围下,底面积为0.8cm2的柔性呼吸传感器的灵敏度为0.719 V/(m/s),且微弱呼吸气流检测下限优化至0.4 m/s,相较于最佳性能的同类传感器提升了约一倍。此外,首次建立传感器电荷量与肺容量之间的对应数学模型,大量数据结果表明其作为肺容量测试装置的检测准确度高于95.8%。最后,利用电路仿真及版图绘制软件制备便携式传感信号硬件处理模块,完成信号转换及无线发送等功能。同时,设计兼容Windows和Linux等多种操作系统的上位机软件及基于Android的智能呼吸监测手机应用程序。软硬件的协同处理实现了多路呼吸信号分析、智能人机交互、远程云端处理和多种生理参量提取等功能。(3)结合上述超轻量呼吸信号处理系统(7.3 g)与软件中的智能分析和数据挖掘算法数据库,本文首次建立了电信号(I(t)、V(t)与Q等)、多种呼吸参数及对应疾病的数学模型。基于计算分析软件与机器学习算法对环境温湿度与输出信号的回归拟合函数建模,在不同人体呼吸状态和环境参数下(湿度范围为25%～75%,温度范围为23℃～55℃),校准后的结果检测精度从80.0%提高至97.7%。集成可穿戴和低成本的智能呼吸监测传感器(Respiratory monitoring sensor,RMS)系统能够同时提取人体呼吸的多种指标,如呼吸频率、呼吸暂停及低通气指数、肺活量、呼吸间隔时间和呼气峰值流速等自校准参数,且检测结果准确率高于95.21%。同时,智能呼吸监测传感系统能够联合分析多种生理参数,对睡眠呼吸暂停及低通气综合征、鼻炎、慢性肺病和新型冠状病毒肺炎等疾病进行辅助诊断和分类。此外,提出了基于One NET云平台的实时数据云传输处理系统及一键紧急报警(Emergency call,E-Call)等功能模块。综上,此呼吸监测传感平台具有多种参数提取、人工智能辅助诊断、数据云处理、完整的预警系统和远程医疗等显著优势,具有广泛的应用范围。最后,还提出了基于RMS的残障人群辅助交流式人机交互系统。本文为居家监测人类呼吸系统疾病和便携式智能辅助远程医疗提供了一种长期精准的解决方案。
基于TENG和电介质电容器的发电储能一体化器件设计与性能提升
这是一篇关于发电储能一体化,摩擦纳米发电机,电介质电容器,小型化,高压脉冲输出的论文, 主要内容为随着人工智能和大数据的出现,人类社会进入了“智慧时代”,然而社会高速发展下产生的潜在问题也不容忽视,一方面如何为数以亿计的微型电子设备供电成为制约社会发展的关键问题,另一方面传统化石能源急速消耗引起的环境污染问题也日益突出,因此发展绿色可再生能源,既是物联网时代的迫切需要,又是现代信息科学发展的巨大驱动力。近年来,由麦克斯韦位移电流第二分量基于媒介极化特点衍生出的压电纳米发电机和摩擦纳米发电机(TENG),由于其在收集高熵环境能量上的优势受到广泛关注,基于TENG设计的能量收集与存储一体化系统也层出不穷,然而这些设计大多采用电池或超级电容器作为储能元件,从而导致设计的器件结构庞大复杂,同时其缓慢的充放电过程以及较低的输出功率密度严重限制了TENG在高压脉冲功率方面的应用。有鉴于此,本文围绕发电储能一体化器件的设计展开研究,首先,引入具有超快放电速率和较高功率密度的电介质电容器作为储能元件,结合TENG高电压的优势,设计了一种发电储能一体化器件,并结合电源管理电路实现了脉冲输出;其次,通过集成旋转式TENG和半波整流电路,产生稳定的高压输出并实现高压脉冲放电。本文的主要研究内容如下:(1)设计了基于TENG和电介质电容器的发电储能一体化器件。首先,采用溶液浇筑法制备了厚度均匀且表面致密的聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VDF-HFP))膜,性能测试表明其具有优异的储能性能。通过共用电极的巧妙设计,将P(VDF-HFP)膜电介质电容器和一个接触分离式TENG集成,同时电介质电容器和高压整流二极管构成了电压倍增电路(VMC),输出电压得到显著提升,输出端储能电容最大电压可以达到2800 V。随后结合高压放电开关实现了Buck型DC-DC降压电路,将蓄积的高压脉冲转化为平稳直流低电压,从而可以与电子系统匹配,并成功驱动了科学计算器和激光二极管。最后,进一步优化结构制备的1×1 cm2小型器件,在75 Hz的振动频率下,储能电容最大电压可达271 V,脉冲能量满足特定场景下低功耗应用需求,这为纳米发电机的小型化设计探索了一条可行的道路。此外,细致的测试过程分析,结合静电计、静电电压表等仪表验证,发现了静电计所测开路电压在实验中的偏差,这对后续准确评估TENG的输出性能具有一定的参考价值。本工作不仅为制作输出性能优良的发电储能一体化器件提供了一种新的思路,又为推进TENG在脉冲功率器件方面的应用做了初步探索,更为TENG在小型化电子产品方面的实际应用迈出重要的一步。(2)上述工作中由于接触分离式TENG两个电极不在一个平面上,存在需要接线导致器件输出不稳定的问题,因此设计了基于旋转式TENG和半波整流电路的发电储能一体化器件。该旋转式TENG采用柔软的兔毛和聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜作为摩擦层以实现软接触,不仅降低了运动过程中产生的磨损,提高了器件的耐久性,还通过在单个周期的机械运动进行多重能量转化周期从而显著提升了器件的输出性能。研究分析了不同材料、互补电极对数以及转速对输出性能的影响,在使用FEP薄膜、互补电极对数为4以及旋转速率为500 rpm时,可以产生560 V、84μA和390 n C的开路电压、短路电流和转移电荷。随后,将旋转式TENG与半波整流电路集成制备了发电储能一体化器件,在储能电容为10 n F的条件下,最高可以达到3000 V的输出电压,最大单周期捕获能量可以达到1580.46μJ,实现了高压脉冲放电,可以观察到明显的电火花放电。本工作不仅制备了一种高能量转换效率的旋转式TENG,而且通过与半波整流电路集成设计了一种产生稳定高压输出的发电储能一体化器件,为TENG在高压脉冲领域的应用做了有意义的探索。
摩擦电刺激器及其在组织工程中的应用研究
这是一篇关于摩擦纳米发电机,肿瘤转移,慢性伤口,组织工程的论文, 主要内容为随着医疗科技和健康水平的高速发展,人们对于高效且安全的医疗需求不断提高。其中,电刺激作为一种参数可控、有效且耐受性和依从性较好的非侵入性治疗方法,在组织工程和再生医学中展现了独特优势,成为目前备受关注的研究方向。但目前商用的电刺激设备通常存在尺寸庞大,长时间电刺激过程产生的焦耳热效应对组织的热损伤以及长期治疗的供电需求等问题。摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是利用摩擦起电和静电感应的耦合效应能够将微小的机械能转化为电能的新型能量转换器,具有高电压、低电流脉冲式输出特性,可大幅度减少甚至避免热效应对皮肤等组织造成的不良反应。目前大量工作分别从细胞到活体模型层面揭示了 TENG作为高压低频脉冲电刺激装置用于组织修复和肿瘤治疗等再生医学的可行性和优势,但对于TENG的脉冲电刺激在机体组织中的影响机制研究却还很少涉及;另一方面,目前的可穿戴和可植入TENG的电学输出性能有限,从而限制了其在更复杂疾病治疗中的有效性和高效性。因此,本论文将讨论基于摩擦纳米发电效应的脉冲电刺激器在组织工程中的应用及作用机制,研究摩擦高频脉冲电流刺激在抑制肿瘤转移中的作用机制,设计摩擦脉冲电刺激协同电响应的药物可控递送水凝胶系统,并验证其在促进细菌感染的慢性伤口愈合中的治疗效果。基于以上研究目标,本论文设计了转盘式TENG,研究了脉冲电流大小对抑制癌细胞迁移和肿瘤转移的效果;随后构建了摩擦电刺激协同电响应药物可控递送水凝胶的联合治疗系统,旨在提高姜黄素的利用度并实现姜黄素可控且高效的释放过程,最终显著促进了细菌感染伤口的愈合速率,为慢性伤口的治疗提供了一种高效、便捷且安全的治疗策略,主要研究成果如下:(1)癌细胞的快速转移至全身是超过90%的癌症相关死亡的主要原因。因此,抑制癌细胞的迁移和侵袭被认为是战胜转移性癌症的重要策略。尽管已发展了延缓癌细胞迁移的药剂和纳米药物,但细胞对拮抗剂的不敏感性以及耐药性等副作用的频频出现限制了其广泛应用。因此,我们发展了转盘式摩擦纳米发电机(RD-TENG)作为一种新型的高频脉冲电疗策略以实现更有效和更耐受的治疗策略,通过产生脉冲电刺激,以减缓体外癌细胞迁移和体内肿瘤转移,而不会引起正常器官和组织的明显变化。我们首先发现当TENG输出电流达到150 μA时可以明显抑制细胞增殖,抑制速率为～15%。随后通过二维划痕测定揭示了 150 μA的脉冲电流刺激可以通过诱导细胞纤毛的缩短和细胞骨架(例如肌动蛋白和微管蛋白)的结构破坏,从而部分抑制体外细胞的迁移。qRT-PCR分析结果表明,基于TENG的电刺激可通过影响F-肌动蛋白和α微管蛋白相关的信号通路影响细胞骨架从而调节细胞迁移,具体表现为能够明显抑制细胞迁移相关的MAPs蛋白、Vinculin蛋白、Talin蛋白和Src蛋白的表达。最后,通过使用接种4T1-LUC细胞的小鼠作为体内肿瘤转移模型,我们发现150μA的电流刺激处理可减缓早期癌细胞扩散到其他身体部位(例如肺),且没有明显的副作用,具有很好的组织安全性。以上结果表明了基于RD-TENG的脉冲电流刺激作为抑制细胞迁移和肿瘤转移的新型电疗策略以及在癌症治疗中的巨大潜力。(2)单一的脉冲电刺激治疗对于普通伤口的愈合已被报道是有效果的,但对于细菌感染的伤口其治疗效果有限。姜黄素具有一定的抗菌效果,但姜黄素存在利用率低的缺陷,已开发的基于姜黄素纳米颗粒的递送系统和皮肤渗透增强剂虽能提高利用度,但其作为一种被动给药的方式效果有限。因此,为了提高细菌感染伤口的愈合速率和效果,我们开发了可穿戴的摩擦电刺激器,构建了基于可穿戴摩擦纳米发电机(W-TENG)的摩擦电刺激协同摩擦电响应的药物可控递送水凝胶的联合治疗系统。通过设计具有微结构的W-TENG,与没有微结构的W-TENG相比,显著提高了器件的电学输出性能,实现了在2.5 Hz的接触分离频率下的240 V的开路电压、4 μA的短路电流和40 nC的转移电荷;通过制备聚吡咯/姜黄素复合纳米颗粒并将聚乙烯醇作为分散剂,实现了姜黄素纳米颗粒在脉冲电刺激下的可控释放,提高了姜黄素纳米颗粒在14天光照下内的稳定性且纳米颗粒均匀分散。所设计的姜黄素可控递送水凝胶能与皮肤之间形成稳定且可逆黏附的界面以保证电信号传输的稳定性,且与没有电刺激组相比,脉冲电刺激下姜黄素纳米颗粒的释放速率约为两倍。相比于直接涂敷姜黄素水溶液或单一电刺激治疗方式,该系统能够显著提高细菌感染的伤口愈合速率,并且该协同治疗系统具有很好的组织安全性和抗菌效果,且不会对皮肤产生热损伤。因此,我们所设计的电刺激协同电响应药物递送方式为细菌感染的慢性伤口愈合和响应型药物可控递送过程提供了一种高效且安全的治疗策略和研究思路。
基于摩擦纳米发电机的自驱动海洋腐蚀微生物传感器及杀菌技术开发
这是一篇关于摩擦纳米发电机,微生物检测,低温等离子体,自驱动,杀菌的论文, 主要内容为海洋环境中微生物所带来的腐蚀与污损问题为海洋经济的发展带来严重的安全隐患与经济损失。据统计,微生物腐蚀所致腐蚀损失占总腐蚀损失的20%左右。因此,开发有效、便捷的微生物检测及杀菌装置具有重要的意义。现阶段,微生物检测及灭杀装置的发展仍受到复杂仪器和外部电源的限制,传统的太阳能、风能收集技术会受到天气、时间等环境因素的影响,不能持续为装置供电。而摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)具有结构简单、成本低、易于制作和材料选择多样等特点,作为一种新型能量收集技术,为微生物检测及灭杀装置的开发提供了重要的契机。然而,如何合理应用TENG并将其与微生物检测及灭杀相结合仍存在较大的困难。基于此,本论文研究了TENG与生物传感器/低温等离子体技术的结合,设计优化自驱动微生物检测/灭杀装置。主要研究内容如下:(1)基于TENG的自供电特性以及伴刀豆蛋白A对革兰氏阴性菌的特异性结合能力,设计了具有高灵敏度和特异性的生物传感器,实现了对革兰氏阴性菌的快速检测。同时,采用分子模拟方法研究了伴刀豆蛋白A与脂多糖之间的相互作用,对检测的微观机制进行了分析。在此基础上,设计了一种便携式腐蚀微生物检测装置,通过LED显示实现对腐蚀微生物的快速检测。(2)基于独立式旋转摩擦纳米发电机(Rotary Triboelectric Nanogenerator,R-TENG)的高输出特性,设计了一种等离子激发装置。研究了叉指电极的对数对R-TENG输出电压的影响,并在体系中引入氩气和电压倍增电路,使得装置更易激发等离子体。通过对活性物质的检测,证明了改进后的等离子激发装置能产生更多的活性物质,展现了其在杀菌方面的应用潜力。(3)开发了自驱动等离子杀菌技术,研究了R-TENG驱动的等离子体激发装置对不同种类细菌的灭杀效果,研究结果表明经过合理设计的自驱动灭菌装置可在1小时内对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌进行近乎完全的灭杀。此外,还对自驱动杀菌的机制进行了分析,表明在电场、紫外线、活性物质等的共同作用下能达到良好的杀菌效果。本文不仅为微生物腐蚀及污损的抑制起到重要的指导作用,并且对TENG在海洋领域应用的拓展具有参考价值。
基于摩擦纳米发电机的无线自供电湿度传感系统
这是一篇关于摩擦纳米发电机,自供电,无线湿度传感,LC谐振电路,频率信息的论文, 主要内容为摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)能量采集技术日渐成熟,为无线传感器网络供能的TENG技术展现出巨大应用潜力。因此本文提出一种基于摩擦纳米发电机的无线自供电湿度传感系统,系统中TENG为传感系统提供能量,采用电容式湿度传感器与电感构成LC谐振电路,并以电磁波形式无线传输湿度信号,可通过线圈耦合方式接收传感器信号,实现湿度传感信号的检测与无线传输,无需任何芯片和有源器件。首先,以麦克斯韦方程为基础,分析TENG的发电机理,推导TENG的发电理论模型。采用COMSOL软件对水平和垂直两种摩擦发电方式进行有限元仿真分析,设计垂直接触式摩擦纳米发电机,确定无线自供电湿度系统的能量供应方案。其次,对TENG结构和储能管理电路进行优化,结合垂直接触式TENG高瞬时能量输出特点,优化TENG结构并设计储能电路。对比不同材料对电荷的约束能力,确定TENG的制备材料。对材料的表面微观结构进行优化,增大摩擦时的有效接触面积。设计TENG回弹结构,提高接触分离速度,提升TENG的输出电压。设计串并电容充放电储能电路(Fractal-design Switched-Capacitor-Converter,FSCC),提高TENG的输出电流。搭建测试平台,对比优化前后发电能力。然后,基于LC谐振电路设计无线传感系统。采用TENG限位触发结构确保在湿度传感过程中TENG等效电容值保持恒定,消除其对湿度传感精度的影响。推导等效电路模型,并通过实验验证模型的有效性。分析影响无线信号传输距离的因素,对电路的设计参数进行优化。最后,搭建湿度传感系统实验平台,通过线圈耦合接收无线湿度传感信号电磁波,通过快速傅里叶变换提取信号的频率信息,通过标准湿度信号对自供电无线湿度传感信号进行标定,对湿度的频率信息进行线性拟合,进行周期性和阶跃性湿度变化实验,确定传感器稳定性和可重复性,在20%RH-80%RH的范围内,灵敏度达1.26k Hz/%RH。
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