没有电池?不成问题!可穿戴生物燃料电池现在用乳酸来发电

不可否认的是，在过去的几十年里，电子设备的小型化已经取得了巨大的进步。如今，在口袋大小的智能手机让老式台式电脑相形见绌、无线连接选项过多之后，有一种特殊类型的设备的发展一直在稳步推进:可穿戴生物传感器。这些微型设备通常被直接戴在皮肤上，以测量特定的生物信号，并通过将测量结果无线发送到智能手机或电脑，跟踪用户的健康状况。

尽管材料科学家已经为可穿戴设备开发了多种类型的柔性电路和电极，但为可穿戴生物传感器找到合适的电源一直具有挑战性。传统的纽扣电池，比如用于手表和袖珍计算器的纽扣电池，太厚太笨重，而较薄的电池则会带来容量甚至安全问题。但如果我们自己就是可穿戴设备的电源呢?

由日本东京科学大学副教授Isao Shitanda领导的科学家团队正在探索将汗水作为可穿戴电子产品唯一动力来源的有效方法。在他们最近的研究中，发表在电源杂志他们提出了一种新颖的生物燃料电池阵列设计，利用汗液中的一种化学物质乳酸盐产生足够的能量，在短时间内驱动生物传感器和无线通信设备。这项研究是与筑波大学的Seiya Tsujimura博士，RIKEN的Tsutomu Mikawa博士和山形大学的Hiroyuki Matsui博士合作进行的，他们都在日本。

他们的新生物燃料电池阵列看起来像一个纸绷带，可以戴在手臂或前臂上。它本质上是由一个防水的纸基板组成，上面有多个生物燃料电池串联或并联;电池的数量取决于所需的输出电压和功率。在每个电池中，乳酸盐和电极中存在的酶之间的电化学反应产生电流，电流流向由导电碳糊制成的一般电流收集器。

这不是第一个乳酸基生物燃料电池，但一些关键的区别使这种新颖的设计从现有的乳酸基生物燃料电池中脱颖而出。一个是整个设备可以通过丝网印刷制造，这种技术通常适用于具有成本效益的大规模生产。这是通过精心选择材料和巧妙的布局实现的。例如，以前类似的电池使用银线作为传导路径，而现在的生物燃料电池使用多孔碳墨水。另一个优点是乳酸传递到细胞的方式。纸层用来收集汗液，并通过毛细管效应同时将汗液输送到所有细胞——这与水接触到水坑时快速流过餐巾的效应相同。

这些优势使得生物燃料电池阵列在向电子电路输送电力方面表现出前所未有的能力，正如Shitanda博士所说:“在我们的实验中，我们的纸质生物燃料电池可以产生3.66 V的电压和4.3 mW的输出功率。据我们所知，这种能量明显高于之前报道的乳酸生物燃料电池。”为了证明其在可穿戴生物传感器和一般电子设备上的适用性，该团队制作了一种自驱动乳酸盐生物传感器，该传感器不仅可以使用乳酸盐为自身供电并测量汗液中的乳酸盐浓度，还可以通过低功耗蓝牙设备将测量值实时传输到智能手机。

正如Shitanda博士在之前的一项研究中所解释的那样，乳酸是一种重要的生物标志物，可以实时反映体育锻炼的强度，这与运动员和康复患者的训练有关。然而，所提出的生物燃料电池阵列不仅可以为可穿戴乳酸盐生物传感器供电，还可以为其他类型的可穿戴电子设备供电。Shitanda博士解释说:“我们利用一滴人造汗液和我们的生物燃料电池，成功地驱动了一个商用活动测量仪1.5小时，我们希望它们能够为各种设备供电，比如智能手表和其他常见的便携式设备。”

希望随着可穿戴生物燃料电池的进一步发展，为便携式电子设备和生物传感器供电将不再是难事!